电子封装QFP组件热疲劳有限元分析与研究★

李灶鹏

（北华航天工业学院电子与控制工程学院，河北 廊坊 065000）

0 引言

方形扁平式封装 （QFP：Quad Flat Package）技术应用广泛，在封装CPU时操作简单、方便，可靠性高，是现在表面贴装型多端子大规模集成电路 （LSI）封装的最主要的形式，在Motorola和Inter等很多大公司中得到了越来越多的应用。21世纪的印刷电路板 （PCB）应该满足轻、小、薄和价格低廉且性能优异的要求[1]。电子封装器件在服役过程中，会随着电路周期性的通与断和环境温度周期性的变化而发生变化，QFP器件将承受着温度循环的过程。最终实践证明，元器件随着温度的变化会出现10℃法则现象，也就是说，元器件的实际工作温度每升高10℃，其失效率就会相应地增大1倍左右，所以，即便温度只降低了1℃，对电子设备而言，其失效率也会降低一个非常可观的量值。温度已经成为了影响电子系统稳定性与可靠性的重要因素[2]。

然而，随着LSI与电子封装集成度的迅速发展，集成电路的发热量也越来越高了。如果热设计不科学、不合理的话，就会出现很多问题，比如：如果材料的热膨胀系数不匹配，就会引发热应力而导致材料产生翘曲、裂纹，甚至产生失效和破坏，出现局部过热的情况，进而引起芯片结区被烧毁；差异过大，温度不均，就会影响信号的传输特性。芯片所产生的热量主要是通过两种方式进行传播的：1）通过对流和辐射的形式，部分的热量通过封装内部到达封装外壳的内表面，再传导到外表面，最后向外部环境传播热量；2）热量由芯片结区向外部传输，在外表面通过对流和辐射向外部环境传播。通常，以第1种方式的传播热流可以忽略不计。我们可以通过选择热导率高的基板、粘接剂等材料，使芯片在服役过程中的热量能够及时、有效地从封装体内部释放出来，以降低第2种方式中的热阻。

本文采用了有限元思想，利用ANSYS软件对QFP组件进行了模拟分析，得到了QFP各个组件的温度分布云图，然后通过分析这些温度分布云图，从而了解到了整个器件的温度分布状况。

1 QFP组件有限元分析模型的建立

由于QFP组件模型、载荷具有对称性，为了节省时间，我们只选取了QFP器件的1/4结构进行了研究和分析。

1.1 热分析模拟

热分析主要是用于计算一个部件或系统的温度分布和其他热物理参数，如热梯度、热量的获取或者损失、热流密度 （热通量）等。

ANSYS软件热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其他物理参数，遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。

ANSYS软件热分析分为稳态热传和瞬态热传两大类。当瞬态热传时，系统的温度场将随时间发生明显的变化，流入或流出的热传递速率q等于系统内能的变化；当稳态热传的时候，系统温度场将不随着时间变化，流入系统的热量等于流出系统的热量。对于一个封闭系统来说，Q-W=△U+△KE+△PE，其中，Q：热量；W：作功；△U：系统内能；△KE：系统动能；△PE：系统势能。针对大多数的工程传热问题，△KE=△PE=0；一般考虑不作功，W=0，则Q=△U。

1.2 力学模型

讨论研究传热问题的方法大致可以分为两大类：实验研究方法与理论研究方法。实验研究最重要的是在相似原理指导下建立模型，有限元方法属于数值计算方法；理论研究方法还可以分为数学分析法、积分近似解法、比拟法和数值计算法。

1.3 有限元模型

a）单元类型的选择

QFP结构中的每一组件全部采用了SOLID70[3]的热实体单元来模拟。

b）计算与简化

1）为了便于模型的建立，简化了引线和焊点的复杂形态；

2）因为QFP及载荷具有对称性，为了节约计算的时间，仅选取了QFP器件的1/4结构进行分析；

3）在整个结构中，芯片的热量输出是均匀不变的。计算中采用了热流密度表示芯片功率的大小；

4）模型外部的对流传热仅仅以自热对流传热的形式进行；

5）假定各种材料完全连接在一起；

6）因为铜和铝的表面发射率极小，所以忽略了热扩展面和热沉的辐射散热，只考虑了它们的热传导散热形式。

c）参数的设定

单位全部采用国际单位制，时间：s；功率：W；长度：m。

d）材料属性

材料属性如表2所示，其中PCB板的导热系数是各向异性的。

表2 材料的参数表

3 运行结果及分析

3.1 整体结构及芯片的温度分布云图

QFP器件的整体结构及芯片的温度分布云图如图1、2所示。

图1 整体结构的温度分布云图

图2 芯片的温度分布云图

由图1、2可以看出，温度沿着热量传输的路径逐渐地下降，热源芯片的温度最高，最高温度出现在PCB板外拐角处，为42.599℃，最低温度出现在PCB板外拐角处，为39.05℃。

3.2 引线及其焊点的温度分布云图

QFP器件的引线及其焊点的温度分布云图如图3、4所示。

图3 引线的温度分布云图

图4 焊点温度分布云图

从图3、4可以发现，芯片的热量在沿着引线进行传输的时候，因为引线中热阻的原因，会沿着引线自上而下不断地降低，从而引起整个引线温度分布不均匀，引线上部更容易损坏。

3.3 PCB板的温度分布云图

PCB板的温度分布云图如图5所示。

由图5可以看出，由于PCB板唯一的热量输入是通过焊点输入进来的，因此PCB柜上和焊点相连的部分温度最高，也是最容易损坏的地方。

3.4 其他组件的分布云图

其他组件的温度分布云图如图6-8所示。

图5 PCB板的温度分布云图

图6 热介质材料的温度分布云图

图7 热沉的温度分布云图

图8 热扩展面的温度分布云图

从以上所有组件的温度分布云图可以得出：由于结构的对称性，各组件的温度基本上沿着1/4结构的45℃对角线呈对称分布。这样的话，其实我们可以只取1/8结构[4]进行热分析，同样可以得出结论，而且更加节省时间。

4 结束语

通过以上分析与研究，本文可以得出如下结论：

a）在QFP组件热疲劳的研究中，由各组件的三维温度分布云图可以看出，芯片整体所受的温度是各组件中最高的，所以芯片承受温度的能力是决定整个器件寿命长短的关键。

b）焊点处的温度会集中过高，在焊点的内部将会产生周期性应力的变化，这是因为封装材料之间的热膨胀系数失配的原因，从而诱发裂纹萌生和扩展，最终造成了内部组织的改变和焊点失效，而一个焊点的失效往往又可能会造成整个产品的故障。研究结果表明，电子器件失效的原因中有一半以上与封装和组装的失效有密切的关系，焊点的失效是主要的原因之一。

c）温度会随着引线自上而下逐渐地降低，致使引线温度分布不均匀，引线上部温度过高。引线的框架在高密度、高精度的电子元器件封装材料中，不仅是芯片的散热通道，同时也是半导体芯片与外界的连接电路，还是承载芯片的骨架，因此，引线的失效对整个QFP器件失效的影响也是至关重要的。

[1]GEORGE T.Printed circuits in the 21st century[J].Printed Circuit Fabrication， 1997， 20 （11）： 52-59.

[2]GASTRO Ade，TODOROVICH E.DPWM based on FPGA clock phase shifting with time resolution under 100 ps[C]//Power Electronics Specialists Conference， 2008.[s.l.]：IEEE， 2008： 3054-3059.

[3]邓凡平，俞杉.ANSYS12有限元分析自学手册 [M].北京：人民邮电出版社，2006.

[4]王呼佳，陈洪军，吴志俊，等.ANSYS工程分析进阶实例 [M].北京：中国水利水电出版社，2006：371-387.