专用芯片热设计技术
|
摘要
本文首先对雷达信号处理专用芯片的技术基础MCM的现状及发展方向进行
了阐述。随着封装密度的进一步提高，其热失效问题也变得更加严重。而其热应
力分布问题是其中的主要因素。热应力是由于温度变化而引起的，所以要进行热
应力分析就必须先得到其温度场的分布。本文利用有限元软件ANSYS对专用芯
片的温度场分布以及热应力场的分布进行分析。并对几种主要的结构材料对热应
力场的影响进行了相应的对比分析。
要合理的对专用芯片进行热设计，就必须对各种与热设计相关的主要参数进
行优化设计。本文对其内部裸芯片的位置分布作了相应的优化设计，所利用的优
化方案是遗传算法，使用 Visual C++软件编制其优化程序。
Application Specific Integrated Circuit(ASIC) is high-density tridimensional package technology. Along with the increase of package density, the issue of ASIC thermal failure has become more and more important. And the distribution of thermal stress is one of the primary factors. For the change of temperature field is the bottom of thermal stress field, it is necessary to get the distribution of temperature field before beginning the calculation of thermal stress field. Here the software ANSYS is applied to calculate the temperature field and the thermal stress field. At the end, this paper also discusses the influence to thermal stress field made by some components.
If the thermal design of ASIC should be sound, it's needed to optimize all the main factors correlating the thermal design. In this thesis, the optimization of the distribution of IC chips is carried out. The program is developed with Visual C++language. A novel optimize method, Genetic Algorithms (GA), is used here.
了阐述。随着封装密度的进一步提高，其热失效问题也变得更加严重。而其热应
力分布问题是其中的主要因素。热应力是由于温度变化而引起的，所以要进行热
应力分析就必须先得到其温度场的分布。本文利用有限元软件ANSYS对专用芯
片的温度场分布以及热应力场的分布进行分析。并对几种主要的结构材料对热应
力场的影响进行了相应的对比分析。
要合理的对专用芯片进行热设计，就必须对各种与热设计相关的主要参数进
行优化设计。本文对其内部裸芯片的位置分布作了相应的优化设计，所利用的优
化方案是遗传算法，使用 Visual C++软件编制其优化程序。
Application Specific Integrated Circuit(ASIC) is high-density tridimensional package technology. Along with the increase of package density, the issue of ASIC thermal failure has become more and more important. And the distribution of thermal stress is one of the primary factors. For the change of temperature field is the bottom of thermal stress field, it is necessary to get the distribution of temperature field before beginning the calculation of thermal stress field. Here the software ANSYS is applied to calculate the temperature field and the thermal stress field. At the end, this paper also discusses the influence to thermal stress field made by some components.
If the thermal design of ASIC should be sound, it's needed to optimize all the main factors correlating the thermal design. In this thesis, the optimization of the distribution of IC chips is carried out. The program is developed with Visual C++language. A novel optimize method, Genetic Algorithms (GA), is used here.
引文
[1] 王立春、刘 彤“阳极氧化铝薄膜多层布线基板技术”，混合微电子技术， Vol．9，No．2，1999'6，pp．18-21
[2] 王传声，“功率混合电路基板材料评述”，混合微电子技术，Vol．9，No. 2， 1998'6，pp．8-12
[3] 王毅，“高密度高性能电子封装技术的现状与发展”，微电子技术，1998， Vol．26，No．4，pp．1-22
[4] 李秀清，“高密度三维封装技术”，半导体情报，Vol．35，No．6，1998’12， pp．25-31
[5] 赵惇殳、王世萍，“雷达信号处理专用芯片及其热设计技术”， 电子机械工程， 1997’4，pp．32-36
[6] 祝大同，“MCM的特性、技术和应用”，通用元器件，1997’11，pp．52-56
[7] 张经国，“多芯片组件技术的近期发展评述”，电子元件与材料，1997'2，pp．1-8
[8] 朱颂春，“多芯片组件热设计技术综述”，混合微电子技术，Vol．7，No．3， 1996'9，pp．20-30
[9] 王传声，“多芯片组件技术的发展及应用”，混合微电子技术，’Vol．7，No．3， 1996'9，pp．1-6
[10] 张经国，“面对未来的军用混合微电子技术”，混合微电子技术，Vol．7，No．2， 1996，pp．1-7
[11] 程阜民，“混合微电子技术用关键材料的新发展”，电子工艺简讯，No．12， 1996，pp．10-15
[12] 王宝善，“当代高密度电子组装技术--SMT、MCM、WSI”，电子机械工程， 1995’3，pp．24-30
[13] 陆鸣，“多芯片组件(MCM)封装技术”，上海微电子技术和应用，1995，2， pp．41-48
[14] 黄延荣，“MCM制造技术的研究和发展”，上海微电子技术和应用，1995，1， pp．34-44
[15] 黄延荣，“MCM的工艺技术发展”，微电子技术，Vol．23，No．1，1995，2， pp．9-19
[16] 圣宏天，“多芯片组件的热分析”，混合微电子技术，Vol．3，No．4,1993， pp．24-32
[17] 《第二届全国电子设备热设计专题学术会议论文集》，中国电子学会电子机械 工程分会，1999，5
[18] 王国强，《实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践》，西北工业出版 社，2000’4．
[19] 赵惇殳等，《电子设备结构设计原理(第一册)》，江苏科学技术出版社，1990
[20] 陶文铨，《数值传热学》，西安交通大学出版社，1995
[21] S．V．帕坦卡，《传热与流体流动的数值计算》，科学出版社
[22] 郭宽良，《计算传热学》，中国利学技术大学出版社，1988
[23] 王勖成、邵敏，《有限单元法基本原理和数值方法》，清华大学出版社，1997
[24] 甘舜仙，《有限元技术与程序》，北京理工大学出版社，1988
[25] 陈国良，王煦法等，《遗传算法及其应用》，人民邮电出版社，1996
[26] A．J．Przekwas，Y．Jiang，M．M．Athavale，Z．J．Wang and J．Vander Zijp， “A Virtual Prototype Environment for Multi-scale，Multi-disciplinary Simulation of Electronics Packaging of MCMs”，1996 InterSociety Conference on Thermal Phenomena，pp．352-358
[27] Said F．Al-sarawi，Derek Abbott and Paul D．Franzon，“A Review of 3-D Packaging Technology”，IEEE Transactions on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，Part B，Vol．21，No．1，February 1998，pp．2-14
[28] Avram Bar-Cohen，“θjc Characterization of Chip Packages--Justification， Limitations，and Future”，IEEE Transactions On Components，Hybrids，and Manufacturing Technology，Vol．12，No．4，December 1989，pp．724-731
[29] John Decarto、Stan Keucb，“Making Flip Chip Assembly Happen”，Electronic Packaging and Production，Vol．39，No．7，May 1999，pp．46-50
[30] Simeon K．Hiev，“Thermal Performance Comparison of Chip-on-Board，Flip Chip-on-Board and Standard TQFP Package”，Fourteenth IEEE SEMI-THERMTM Symposium“，1998，pp．161-68
[31] Katarina Boustedt，“GHz Flip Chip--an Overview”，1998 Proceeding 48th Electronic Components and Technology Conference(V．A)，pp．297-302
[32] Peyman Pahkordi，“Determination of Area-Array Bond Pitch for Optimun MCM Systems：A Case Study”，1997 IEEE MCMC，Feb．1997，pp．8-12
[33] Dong Kil Shin，and Jung Ju Lee，“Effective Material Properties and Thermal Stress Analysis of Epoxy Molding Compound in Electronic Packaging”，IEEE Transaction on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，Part B， Vol．21，No．4，Nov．1998，pp．413-421
[34] Mukai，M．，Kawakami，T．，Takahashi，K．，and Iwase，N．，“Thermal Fatigue Life Prediction on Solder Joints Using Stress Analysis”，1997 IEMT／IMC
Proceedings, pp. 204-208
[35] Z. Q. Jiang, Y. Huang, A. Chandra, "Thermal Stresses in Layered Electronic Assemblies", ASME Journal of Electronic Packaging, Vol. 119, June 1997, pp. 127-132
[36] John H. Lau, "Solder Joint Reliability of Flip Chip and Plastic Ball Grid Array Assemblies Under Thermal, Mechanical, and Vibration Conditions", 1995 IEEE/CPMT Int'1 Electronics Technology Symposium, pp. 13-19
[37] Biswajit Sur, and Iwona Turlik, "Power Cycling and Stress Variation in a Multichip Module " , IEEE Transactions on Components , Packaging and Manufacturing Technology, Part B, Vol. 18, No. 2, May 1995, pp. 388-395
[38] E. Suhir, "Calculated Thermally Induced Stresses in Adhesively Bonded and Soldered Assemblies"
[39] S. M. Heinrich, S. Shakya, P. S. Lee, "Improved Analytical Estimate of Global CTE Mismatch Displacement in Areal-Array Solder Joints", ASME Journal of Electronic Packaging, Vol. 119, December 1997, pp. 218-227
[2] 王传声，“功率混合电路基板材料评述”，混合微电子技术，Vol．9，No. 2， 1998'6，pp．8-12
[3] 王毅，“高密度高性能电子封装技术的现状与发展”，微电子技术，1998， Vol．26，No．4，pp．1-22
[4] 李秀清，“高密度三维封装技术”，半导体情报，Vol．35，No．6，1998’12， pp．25-31
[5] 赵惇殳、王世萍，“雷达信号处理专用芯片及其热设计技术”， 电子机械工程， 1997’4，pp．32-36
[6] 祝大同，“MCM的特性、技术和应用”，通用元器件，1997’11，pp．52-56
[7] 张经国，“多芯片组件技术的近期发展评述”，电子元件与材料，1997'2，pp．1-8
[8] 朱颂春，“多芯片组件热设计技术综述”，混合微电子技术，Vol．7，No．3， 1996'9，pp．20-30
[9] 王传声，“多芯片组件技术的发展及应用”，混合微电子技术，’Vol．7，No．3， 1996'9，pp．1-6
[10] 张经国，“面对未来的军用混合微电子技术”，混合微电子技术，Vol．7，No．2， 1996，pp．1-7
[11] 程阜民，“混合微电子技术用关键材料的新发展”，电子工艺简讯，No．12， 1996，pp．10-15
[12] 王宝善，“当代高密度电子组装技术--SMT、MCM、WSI”，电子机械工程， 1995’3，pp．24-30
[13] 陆鸣，“多芯片组件(MCM)封装技术”，上海微电子技术和应用，1995，2， pp．41-48
[14] 黄延荣，“MCM制造技术的研究和发展”，上海微电子技术和应用，1995，1， pp．34-44
[15] 黄延荣，“MCM的工艺技术发展”，微电子技术，Vol．23，No．1，1995，2， pp．9-19
[16] 圣宏天，“多芯片组件的热分析”，混合微电子技术，Vol．3，No．4,1993， pp．24-32
[17] 《第二届全国电子设备热设计专题学术会议论文集》，中国电子学会电子机械 工程分会，1999，5
[18] 王国强，《实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践》，西北工业出版 社，2000’4．
[19] 赵惇殳等，《电子设备结构设计原理(第一册)》，江苏科学技术出版社，1990
[20] 陶文铨，《数值传热学》，西安交通大学出版社，1995
[21] S．V．帕坦卡，《传热与流体流动的数值计算》，科学出版社
[22] 郭宽良，《计算传热学》，中国利学技术大学出版社，1988
[23] 王勖成、邵敏，《有限单元法基本原理和数值方法》，清华大学出版社，1997
[24] 甘舜仙，《有限元技术与程序》，北京理工大学出版社，1988
[25] 陈国良，王煦法等，《遗传算法及其应用》，人民邮电出版社，1996
[26] A．J．Przekwas，Y．Jiang，M．M．Athavale，Z．J．Wang and J．Vander Zijp， “A Virtual Prototype Environment for Multi-scale，Multi-disciplinary Simulation of Electronics Packaging of MCMs”，1996 InterSociety Conference on Thermal Phenomena，pp．352-358
[27] Said F．Al-sarawi，Derek Abbott and Paul D．Franzon，“A Review of 3-D Packaging Technology”，IEEE Transactions on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，Part B，Vol．21，No．1，February 1998，pp．2-14
[28] Avram Bar-Cohen，“θjc Characterization of Chip Packages--Justification， Limitations，and Future”，IEEE Transactions On Components，Hybrids，and Manufacturing Technology，Vol．12，No．4，December 1989，pp．724-731
[29] John Decarto、Stan Keucb，“Making Flip Chip Assembly Happen”，Electronic Packaging and Production，Vol．39，No．7，May 1999，pp．46-50
[30] Simeon K．Hiev，“Thermal Performance Comparison of Chip-on-Board，Flip Chip-on-Board and Standard TQFP Package”，Fourteenth IEEE SEMI-THERMTM Symposium“，1998，pp．161-68
[31] Katarina Boustedt，“GHz Flip Chip--an Overview”，1998 Proceeding 48th Electronic Components and Technology Conference(V．A)，pp．297-302
[32] Peyman Pahkordi，“Determination of Area-Array Bond Pitch for Optimun MCM Systems：A Case Study”，1997 IEEE MCMC，Feb．1997，pp．8-12
[33] Dong Kil Shin，and Jung Ju Lee，“Effective Material Properties and Thermal Stress Analysis of Epoxy Molding Compound in Electronic Packaging”，IEEE Transaction on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，Part B， Vol．21，No．4，Nov．1998，pp．413-421
[34] Mukai，M．，Kawakami，T．，Takahashi，K．，and Iwase，N．，“Thermal Fatigue Life Prediction on Solder Joints Using Stress Analysis”，1997 IEMT／IMC
Proceedings, pp. 204-208
[35] Z. Q. Jiang, Y. Huang, A. Chandra, "Thermal Stresses in Layered Electronic Assemblies", ASME Journal of Electronic Packaging, Vol. 119, June 1997, pp. 127-132
[36] John H. Lau, "Solder Joint Reliability of Flip Chip and Plastic Ball Grid Array Assemblies Under Thermal, Mechanical, and Vibration Conditions", 1995 IEEE/CPMT Int'1 Electronics Technology Symposium, pp. 13-19
[37] Biswajit Sur, and Iwona Turlik, "Power Cycling and Stress Variation in a Multichip Module " , IEEE Transactions on Components , Packaging and Manufacturing Technology, Part B, Vol. 18, No. 2, May 1995, pp. 388-395
[38] E. Suhir, "Calculated Thermally Induced Stresses in Adhesively Bonded and Soldered Assemblies"
[39] S. M. Heinrich, S. Shakya, P. S. Lee, "Improved Analytical Estimate of Global CTE Mismatch Displacement in Areal-Array Solder Joints", ASME Journal of Electronic Packaging, Vol. 119, December 1997, pp. 218-227