多芯片組件（MCM） 是將多個半導體集成電路元件以裸芯片的狀態搭載在不同類型的布線板上，并實現整體封裝的一種封裝技術。與單芯片封裝相比。MCM可提高單位體積內電路的集成度，有利于電子整機向高速化、多功能化和小型化方向發展，隨著MCM 集成度的提高和體積的縮小，尤其是對于集成了大功率芯片的MCM，其內部具有多個熱源，熱源之間的熱糯合作用較強，單位體積內的功耗很大，由此帶來的芯片熱失效和熱退化現象突出。有資料表明，器件的工作溫度每升高10℃，其失效率增加l倍。因此，準確模擬大功率MCM 模塊的三維溫場分布，并分析掌握其熱特性，有利于指導MCM 熱設計方案的選擇，對提高大功率MCM 的可靠性具有重要意義。 筆者以ATMEL公司生產的MCM的內部結構、尺寸和材料為基礎，對該MCM在典型工作模式和自然對流的環境下的內部和封裝表面溫度場分布情況進行了模擬，并分析了該MCM 工作時各部分散熱比例情況和MCM各部分材料的熱導率對內部溫度的影響。 1 計算模型 1.1 MCM 實際結構 圖1描述了ATMEL 公司生產的某型號MCM 的內部結構。該MCM 內部有三個芯片以倒裝焊方式置于Al203 基板上（芯片和基板之間有層厚度為0.29mm 的粘結劑），其中左邊的一塊是CPU，它的尺寸為8.5mm x 7.62mm x O.65mm。右邊為兩塊大小相等的存儲器，它們的尺寸為9.5mm x 6.82mm x 6.5mm。基板的尺寸為25mm x 21mm x 2.2mm，其背面通過陣列排列的255個焊球與PCB相連，焊球直徑為0.8 mm,焊球中心距離為1.27mm。PCB 的尺寸為90mm x 50mm x 1.5mm。 1.2 有限元模型 為了便于計算分析，先對模型作如下簡化和假設: （1） MCM工作時其內部功率器件處于熱平衡狀態，且其結溫分布是穩定的。 （2） MCM內部的CPU 和存儲器是主要熱源，忽略電流流過電阻和連續時產生的焦耳熱。 （3） 假設MCM底表面的溫度為常數，這樣便于紅外熱像儀測量。 （4） 假設封裝表面和PCB表面與周圍空氣對流熱交換系數為常數。 根據圖1描述的結構用ANSYS建立模型，然后對模型劃分網格。筆者用ANSYS 提供的網格劃分控制工具“Mesh Tool”來進行網格劃分，其中網格單元選用SOLID70，用“Smart Size”來控制網格尺寸。網格劃分的優劣通過“Smart Size”里面的size level來控制，當sizelevel 為1時，網格劃分得最精細，而size level 為10時，網格劃分得最粗糙。考慮到PCB 結構比較簡單而且熱流密度比較小，它的size level 選擇8 ，而封裝體結構比較復雜并且熱流密度比較大，它的size level 選擇6。網格劃分后的有限元模型內部如固2 所示。封裝體有限元模型由209803 個單元和45222 個節點組成，PCB 有限元模型由235284 個單元和51317 個節點組成。模型中采用的材料及其熱導率如表1所示。 [align=center] 圖2 MCM內部結構有限元模型[/align] 1.3 模型邊界條件 模型的熱邊界條件如下:熱源為芯片工作時的發熱，其中CPU 的發熱功率為2.6W，兩個存儲器的發熱功率分別為l5mW；模型內部各材料之間通過傳導方式進行傳熱，服從傅立葉傳熱定律:模型外表面通過與空氣的對流和輻射進行散熱，對流傳熱服從牛頓冷卻定律，熱輻射服從斯蒂芬-玻爾茲曼定律。外部環境溫度為16℃，在空氣自然對流情況下，取對流傳熱系數為25W/（m2·K）。PCB 的黑度為0.9，包封表面的黑度為0.8。 2 模擬結果與分析 經過ANSYS的模擬，模型的整體溫度分布如圖3所示。從圖中可以看出，模型的溫度最高點位于CPU的位置，其大小為60.249。℃。MCM 表面溫度以CPU為中心向外逐步遞減，溫度輪廓線呈圓弧狀，MCM溫度最低點位于存儲器一側的兩個拐角處。MCM 發熱對PCB 的溫度影響范圍很小，在影響范圍內PCB的溫度以MCM 的位置為中心，溫度以圓弧狀向外逐步降低。通過紅外熱像儀測得該MCM 在典型工作模式下的最高溫度為62.67℃，由公式1 可以算出誤差為5.19 %，誤差值比較小，說明筆者的模型和有限元分析方法能夠比較精確地反映MCM 的溫度分布，可以用于溫度分析。 圖5和圖6分別是焊球和基板的溫度分布圖。從圈中可以看出，焊球和基板的溫度分布基本相同，這是因為焊球和基板是相連的，芯片發出的熱量通過基板傳導給焊球。基板和空氣接觸的面積比較小，通過對流和輻射散熱很小，大部分熱量都通過傳導傳給焊球。 以以上模擬分析結果為基礎，分別計算在沒有熱沉的情況下PCB、包封和基板的散熱功率，結果可以看出: PCB 的散熱（包括對流散熱和輻射散熱）對散熱貢獻最大，它的散熱占整個散熱的50.76 %；其次是包封的散熱（包括對流散熱和輻射散熱），它的散熱占整個散熱的29.8 %；然后是基板散熱（包括對流散熱和輻射散熱），它的散熱占整個散熱的17.92%。 3 分析材料導熱系數對MCM內部溫度的影晌 由上面的各部分散熱分布分析結果可知，模型的絕大部分熱量都是從PCB、包封和基板這三個部分傳出去的。其中包封散發掉的熱量是由芯片產生，通過包封傳導到包封表面，再以對流和輻射方式傳到周圍空氣中；PCB 散發掉的熱量是由芯片產生，通過基板和焊球傳導到PCB 上，再從PCB 表面以對流和輻射方式傳到周圍空氣中。所以在流傳熱系數和黑度都為常數的情況下，包封和基極的導熱性能對模型的散熱有影響。 以上面的模型和有限元分析方法為基礎，通過分別改變包封和基板的導熱系數來研究包封和基板的導熱系數對MCM內部溫度的影響。圖7是基板導熱系數從0.5增加到125，而其它參數都不變的情況下，MCM內部最高溫度的變化曲線。從圖7可以看出，基板導熱系數從0.5增加到20時MCM內最高溫度降低非常明顯，而從20增加到125時溫度降低趨向平穩。圖8是包封導熱系數從0.1增加到25，而其它參數都不變的情況下，MCM內部最高溫度的變化曲線。從閣中可以看出，當包封導熱系數增加時。MCM 內部的最高溫度總體呈下降趨勢，但導熱系數從0.1增加到0.8時，溫度呈現上升趨勢。模型各部分散熱比例分析和各部分導熱系數對MCM 內部溫度影響的分析結果基本一致，分析其原因可得: PCB和包封的散熱占整個散熱的比重非常大，增大基板的熱導率使芯片發出的熱量更容易傳到PCB上，而增大包封的熱導率有利于把芯片發出的熱量傳遞到封裝表面，通過對流和輻射散發掉。 4 結論 以ATMEL生產的MCM為研究對象，采用有限元方法對其溫度分布進行了模擬和分析，結果表明: （1）所建立的模型和有限元分析方法能夠比較精確的模擬MCM 的溫度場分布，為MCM的熱模擬提供了一種有效的方法。 （2）模型各部分散熱比例分析結果表明，在沒有熱沉的情況下。PCB 的散熱對散熱貢獻最大，其次是包封的散熱。 （3）各部分導熱系數對MCM內部溫度影響分析結果表明，增大包封和基板的導熱系數能夠有效地提高MCM的散熱效果，降低MCM內部溫度