基于PERA SIM的电子封装热分析

本文基于PERA SIM Fluid仿真软件分析电子封装流动换热问题，涵盖了从几何导入、网格划分、求解设置到结果后处理的完整仿真流程。计算采用布辛尼斯克（Boussinesq）假设得到自然对流条件下封装体温度场及流场分布，通过设置接触热阻考虑导热胶的影响。根据封装材料属性、输入功率、空气对流换热系数等边界条件，从几何导入及修复开始，到网格划分、边界条件设置，到最后结果后处理，最终得到分析结果，实现了电子封装完整热分析过程。分析得到的封装表面温度和对流换热效率对封装设计具有一定的指导意义。

关键词：电子封装；自然对流；流热耦合；热设计      

芯片封装作为设计和制造电子产品开发过程中的关键技术之一，是半导体行业关注和重视的重点。封装的作用主要有保护电路免受外界环境的影响、避免噪声信号的污染，屏蔽外场的串扰，支撑封装体内机械机构、电气互连，缓解封装体内部的机械应力，提供从封装体内功率器件到外界环境的热传递路径，使芯片间的引线从封装体牢固地引出而非直接装配在基片上等功能。

半导体技术按 摩尔定理的发展，集成电路的密度将越来越高，且尺寸越来越小。所有芯片工作时都会发热，热量的累积必导致结点温度的升高，随着结点温度提高，半导体元器件性能将会下降，甚至造成损害。为了保证元器件的结温低于最大允许温度，经由封装进行的从 IC 自身到周围环境的有效散热就至关重要。

本文基于PERA SIM Fluid仿真软件实现了电子封装热分析的完整流程，从导入几何模型开始，到划分多面体混合网格、设置材料参数和边界条件，随后采用多核并行计算并得到最终温度场结果。分析得到的封装表面温度和对流换热效率对封装设计具有一定的指导意义。

3.1 封装模型

本文研究对象为某电子封装，其几何尺寸较小，尤其是结构厚度与其长度之比差异大，主要结构包括：封装基底、CPU、电容、封盖、导热硅胶、四角支撑等，模型最小尺寸在0.1375mm。

3.2 模型导入

导入stp格式的封装几何模型，该模型同时包含封装产品和计算域。封装几何模型如图1所示。

4.1 网格划分

考虑计算经济型与结果准确性，采用全局控制结合局部尺寸控制方式划分面网格，并添加密度盒保证封装周围网格大小。面网格最大尺寸为12mm，最小尺寸为0.1mm。对电容、封盖和芯片等部件局部控制约束，局部尺寸分别为0.1mm、0.3mm和0.2mm。密度盒以封装为中心，在X、Y、Z方向扩展2mm，密度盒内最大尺寸1mm，最小尺寸0.1mm，并控制网格增长率为1.1。

体网格类型选择多面体和边界层的混合网格，边界层的厚度为0.035mm。在需要生成边界层的壁面上定义边界层的层数、第一层层高和增长率，生成多面体和边界层的混合网格。网格数量最后在186w左右，网格分布如图2所示。

4.2 材料定义

计算模型含有不同材料，根据封装内不同结构设置相应材料属性，相关参数如下表所示：

                 

4.3 边界条件

采用稳态计算自然对流条件下封装温度场，环境温度设为25℃，考虑重力作用，重力加速度在y向上为-9.81m/s2，采用Boussinesq假设计算，热膨胀系数设为0.00367。开启能量方程，湍流模型使用k-w SST。压力速度耦合采用Couple算法，空间离散格式均为二阶格式，开启伪瞬态方法。

计算域边界均为压力边界条件，底面设置为压力入口，相对压力设置为0 Pa，侧面与上表面为压力出口边界条件。热源为封装基底上的5个CPU，发热功率通过设置功率密度大小给定，封装总功率为1.25W。

CPU 1和CPU 2与封盖直接接触，但实际会在表面涂敷导热硅胶，为考虑导热胶影响，在耦合面上添加面接触热阻，使计算更准确。

5.1 计算分析设置

计算迭代的残差收敛标准设置为1e^-3。创建对发热工件CPU1的温度监测，作为随着计算迭代更新的监测值，辅助判断计算的收敛情况。计算开始后，通过残差曲线和监测曲线来查看计算的收敛情况，残差降至10^-3左右，温度监测值平稳不再变化，表明计算结果收敛。

5.2 计算结果

计算完成后，通过PERA SIM Fluid可直接进行后处理分析，监测曲线可以输出部分关注的分析结果，如监测点温度、速度等。也可以通过云图、矢量图、流线等方式对仿真结果进行可视化的分析：

图4  切片温度云图

图5  封装表面温度云图

从以上的分析结果可以得知，在此功耗条件下，封装表面温度最大在44.8℃左右，其中左上角处芯片表面温度最高。由于芯片位置、热耗以及自然对流作用影响，周围空气会带走一部分热量，使得芯片整体呈现出上半部温度高，底部温度低的温度分布特征。

本文用国产仿真软件PERA SIM Fluid对电子封装模型进行了温度场、流场分析，得到了自然对流条件下封装表面温度分布，为芯片封装设计和电子产品制造开发提供了一定的参考信息。

可以看出，作为一款国产仿真软件，PERA SIM Fluid支持耦合换热方面的计算，能帮助分析封装级流动换热问题。从模型修复、网格划分、材料定义到分析求解和结果后处理，功能完善，计算分析流程完整。