Icepak 面向引线框架封装的热阻建模与分析

摘要: 针对通用的QFP48 引线框架封装，首先探讨了封装中的热传输机制，给出了热阻的理论计算结果；接 着利用Ansys Icepak 软件建立起QFP48 的有限元模型，热阻仿真结果较好地验证了热传输机制的理论分析；最后 讨论了减小封装热阻、提高热可靠性的方法。结果表明：适当提高塑封材料的热传导率、增加PCB 面积和施加一 定风速的强迫对流均可降低QFP48 封装的热阻，提高散热效果。

关键词: 引线框架封装；热阻；建模；热仿真；优化分析；Icepak

0 前言

集成电路封装技术中，传统的四侧扁平封装技 术(QFP)，由于具备较多的互连引脚、良好的电气特 性和较低的成本，仍然是目前较为流行的封装形式之一。

目前，随着集成电路工艺的不断进步，大规模 或超大规模集成电路的工作频率越来越高，由此引 发的数字电路动态功耗越来越大，芯片内部发热量 增加导致温度急剧上升，因此，封装的散热问题受 到越来越广泛的关注。以 QFP 封装为例，Zhou等给出了QFP 封装的内部热传输路径，在功耗为0.5 W和环境温度为20℃的情况下，采用有限元工具仿真得到芯片的最高温度为84.17℃。Suwa 等通过构建有限元模型并进行相关的仿真建立了芯片和PCB 的 热阻网络。

本文以QFP48 为研究对象，通过理论分析与有限元仿真技术进行热阻建模。首先建立QFP48的数学模型，得到热阻的计算方法；接着利用 Ansys Icepak 建立 QFP48 的有限元模型，仿真得到封装的 热阻，并验证数学计算的结果；最后在综合考虑结 构、材料等因素的基础上，完成对QFP48 封装热阻的优化设计。

1 数学建模

典型的 QFP 基本结构如图 1 所示：① Die为芯片，封装中最重要的组成部分；② Die Adhesive 为 芯片粘贴胶，用于将芯片固定在封装框架的载片台 上；③ Paddle 为框架载片台，对芯片起支撑固定作用，同时也能够提供较多的散热；④ Lead Frame 为 引线框架，是封装输入/输出端口与外部PCB系统的 连接桥梁；⑤ Wire Bond 为键合线，负责将芯片的 焊盘与引线框架连接，键合线和引线框架共同组成 了芯片系统到 PCB 系统的完整传输通道；⑥ Mold 为塑封料，保护着整个封装结构。

                                                                                    图1 QFP 封装的结构

图 2 为 QFP48 封装模型的热传输路径示意图， 其中用带有箭头的不同线型标注了传导 （conduction）、对流（convection）和辐射（radiation） 三种热量传输形式及其传输路径。

图2    QFP48 封装中传热路径

由图 2 可知，QFP48 封装中的三条主要热量传 输路径分别为：1. 芯片工作产生的热量直接通过塑 封料体（⑥ Mold）的上表面传输到空气中；2. 热 量在经过芯片粘贴胶（② Die  Adhesive）和载片台 （③ Paddle）之后，通过封装体的下表面传输到PCB 和空气中；3. 热量通过键合线（⑤ Wire Bond）传 输到引线框架（④ Lead Frame）上，然后再通过框 架引脚传输到空气中和 PCB 上。根据热传输类型和 传输路径可以得到QFP48 封装的热阻网络模型，如 图 3 所示。

图3    QFP48 封装热阻网络模型

图 3 中的和 Ta 分别表示芯片结温和环境温度。由图 3 可见，第一条传热路径上的热阻有Rj1、R17、Rcon和 Rrad，分别表示芯片热阻、芯片上方塑封体的热阻、对流热阻和辐射热阻；第二条传热路径中， 除了 Rcon 和 Rrad，还包括芯片粘贴胶热阻 Rj2、载片台热阻 R23、芯片下方塑封体热阻 R34、封装和 PCB之间的空气热阻 R45 和 PCB 的热阻 R56；第三条传热路径中，除了包含 R56、Rcon 和 Rrad，还包括键合线热阻 Rwb 和引线框架热阻 Rlf。

表 1 给出了 QFP48 的封装模型参数，为了使 QFP48 封装模型的热阻更能反映实际工作情况，模 型中添加了一个 4 层的PCB 测试板。该 PCB 测试板 的几何尺寸如表 2 所示，PCB 的材料选为 FR4。由于封装内部以热传导为主，本文重点以热传导为例，说明热阻的数学求解过程。

表 1   QFP48 封装模型参数

表 2   PCB 模型参数

热传导可用一维傅里叶方程表示为：

 （1）

其中式中：q 表示热流量；k 表示热导率；A 表示热流通 过的横截面积；dT/dx 是热流方向上的温度梯度。对公式（1）进行积分，得到稳态热传导路径长度为 l 时的温度差，即：

（2）      进一步对公式（2）进行变换，得

（3）  定义热阻R为：

（4）    联合公式（3）、（4），传导方式下的热阻计算公式可表示为：

（5）式中：L 代表热传导路径的长度；k 代表材料的热导 率；A 是热流量通过的横截面积。同理，热对流、热辐射方式下的热阻计算公式 可相似得到。根据表1 中的 QFP48 封装模型参数及表2 中的 PCB 模型参数，利用公式（5），即可求解出图 3 热 阻网络中各个结构的热阻值。以芯片热阻 Rj1 为例：

(6)同理，其他结构的热阻值可类似求得，结果如表3所示。

表 3   QFP48 封装各结构热阻值

结合图3中抽取的热阻网络拓扑结构及表3中对应的各热阻值，QFP48 封装的总热阻为：

2  QFP48 封装热阻有限元建模

根据QFP48封装产品的结构图，利用 Ansys Icepak 建立三维有限元模型，如图 4 所示。模型结构中各参数与表 1、表 2 保持一致，其中芯片的功率为 0.5 W，环境温度设置为20℃。

图4  QFP48 封装三维有限元模型

经过网格划分、参数设置，自然对流下的温度场仿真结果如图5所示，其中芯片最高节温为 83.90 ℃。

图5  自然对流条件下QFP48 封装温度分布

根据JESD标准，芯片到外界环境的热阻θja可表示为

(7)   式中：Tj 和 Ta 分别代表芯片最高结温和环境温度；P

指芯片的功耗。将芯片最高结温 83.90 ℃、环境温 度 20 ℃及芯片功耗 0.5 W 代入公式（7），即可计算 出该 QFP48 封装的热阻 qja 为 127.8 ℃/W，该结果与上文中的理论分析值 Rja-es 较为吻合，进一步验证了两种建模的一致性。

3  QFP48 封装热阻优化分析

热阻是反应材料阻止热量传递的一个综合参 量。为了增强封装结构的传热能力，需要减小其热 阻值。通过分析封装热阻网络模型可知，只要降低 关键路径的热阻值就可以有效降低整个封装的热 阻。考虑到工业规模应用中，引线框架封装中内部 结构基本固定的情况，本文主要探讨塑封材料、PCB 面积及外部对流情况对热阻的影响，即主要考虑的 热阻包括：封装体上、下两部分热阻 R17、R34，PCB热阻 R56 和对流热阻 Rcon。本节沿用 Ansys Icepak 工具进行有限元建模和仿真分析。

3.1   塑封材料的热导率对热阻的影响

图6 给出了QFP48 封装在不同热传导率设置下 的温度分布图。从图中可以得到：热传导率为 0.2 W/(m·℃)时，芯片的最高节温为 99.94 ℃；热传导 率为 5 W/(m·℃)时，芯片的最高节温为 78.73 ℃。

图6  不同热传导率情况下的温度分布

根据公式（7），计算出不同热传导率设置下的热 阻值，如图7 所示。当塑封材料的热传导率较小时， 热阻 Rja 随热传导率的增加而显著减小；当塑封材料的热传导率达到3 W/(m·℃)时，继续增大热传导率 对热阻Rja 的影响则变得有限，并呈现饱和趋势。

图7 热传导率与热阻的关系

3.2  PCB 面积对热阻的影响

集成电路工作时的温度除了与其封装的物理结 构及工作功耗有关外，还与PCB 的面积大小和叠层 结构有关。本文主要讨论PCB面积变化对热阻的影响，图 8 给出了承载QFP48 封装的四层 PCB 结构在不同面积设置情况下对应的温度分布图。根据图中 的仿真结果可得：PCB 大小为 20 mm×10 mm 时，芯片的最高结温为 130.31 ℃；PCB 大小为 150 mm×100 mm 时，芯片的最高结温为82.08 ℃。

图8 不同PCB 面积情况下的温度分布图

图9 进一步给出了PCB 面积和封装面积的比值 与总热阻大小的对应关系，从图中可知，PCB 面积 和封装面积的比值越大，其对应的总热阻值Rja 则越 小，当 PCB 和封装面积比大于 161.31 时，其对应的 热阻值随着面积比的变化呈现缓慢平稳的趋势。因 此，在集成电路封装的散热设计中，适当增大 PCB 面积将会对系统散热产生积极影响。

图9    PCB 和封装面积比与封装热阻的关系

3.3   对流强度对热阻的影响

为了得到对流强度的改变对封装热阻的影响， 本文采用给QFP48 封装施加横向风冷的仿真条件， 通过改变风速大小来分析封装工作时的最高温度和 封装热阻。图 10 给出了风速大小分别为1，2，3 和 4 m/s 时的 QFP48 封装的温度分布图，从图中可 知，温度随风速的增加而减小：风速大小为 1 m/s 时，芯片的最高结温为69.34 ℃；风速大小为4 m/s 时，芯片的最高结温为 57.19℃。与图5相比，风速大小由0增大为 4 m/s 时，芯片最高结温降低了 26.71℃。

图10   不同横向对流风速情况下的温度分布

图 11 进一步给出了风速大小与热阻值的对应关 系，从图中可知，外部施加1 m/s 的风速时，热阻下 降幅度最为明显，约30 ℃/W，随着风速进一步增大，热阻降幅呈现缓慢并趋于饱和。因此，适当采用强迫 对流的方法同样可以增强电子元件的散热功能。

图11   风速与封装热阻的关系

4  结论

介绍了通用QFP48 封装结构的热阻建模及优化 分析。首先建立了数学模型，得到热阻的理论计算 方法；接着利用 Icepak 建立了有限元模型，仿真得 到的热阻值验证了理论计算方法的正确性；最后对 影响热阻的几个因素进行了优化分析：考虑成本、 散热等综合因素，适当提高塑封材料的热传导率、 增加PCB 面积和施加一定风速的强迫对流均可降低 QFP48 封装的热阻，提高散热效果。本文提到的热 阻建模及优化方法不仅适用于引线框架类的封装， 也可为其他封装类型的热阻求解提供参考。

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 作者：孙海燕，缪小勇，赵继聪，孙玲 ，王洪辉

（1. 南通大学 江苏省专用集成电路设计重点实验室，江苏 南通  226007；2. 通富微电子股份有限公司，江苏 南通 226006）