有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用

2007年2月 ELECTRONICENGINEER

VOI.33NO.2

Feb.2007

有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用

陈 云，徐 晨

（南通大学电子信息学院，江苏省南通市226007）

MCM（多芯片组件）的热分析技术是MCM可靠性设计的关键技术之一。基于有限元法摘 要：

的数值模拟技术是MCM热设计的重要工具。文中主要以ANSYS软件为例，介绍利用其对MCM进行热分析的实例。建立了一种用于某种特殊场合的MCM的三维热模型，得出了MCM内部的温度分布，并定量分析比较了空气自然、强迫对流和液体自然、强迫对流情况下对散热情况的影响。研究结果为MCM的热设计提供了重要的理论依据。

关键词：多芯片组件；热分析；有限元法；ANSYS中图分类号：TN402

的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求

的，近似解最后将收敛于精确解。

流体、电场、磁有限元分析软件ANSYS是集结构、

场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算物体内部各节点的温度，并导出其他热物

热对流、热理参数。运用ANSYS软件可进行热传导、

辐射、相变、热应力及接触热阻等问题的分析求解。

0 引 言

MCM（多芯片组件）作为当代先进电子组装技术

的新技术，由于具有组装密度高、互连线短、体积小、重量轻、性能好等特点，受到了高度重视，并得到了迅速发展。但与此同时，它的高密度、微型化的特点也带来了一系列设计、组装技术方面的难题，其中芯片的散热

MCM的热分析技术成了MCM问题尤为突出。因此，

可靠性设计的关键技术之一。由于电子组件结构、材料参数、组件内功率器件的分布、环境条件等，传统的数值分析方法往往无能为力。随着计算机技术的发展，利用有限元模拟的方法由于具有计算能力强、运算速度快等优点，越来越得到人们的重视。常用的有限

MARC、FLOUENT等。本文主元分析软件有ANSYS、

要以ANSYS软件为例，介绍利用其对MCM进行热分析的实例。

2 运用ANSYS进行热分析流程

运用ANSYS进行稳态热分析的基本步骤如图1所示，其中主要包括建立有限元模型、施加载荷、求解与后处理。

1 有限元分析软件ANSYS

有限元方法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式互连结合在一起的单元的组合体。因此，可以模型化几何形状复杂的求解域。利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然，随着单元数目的增加，亦即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解

收稿日期：2006-05-31；修回日期：2006-08-25。基金项目：南通大学校级科研基金资助项目（062122）。

图1 ANSYS有限元分析流程

建模是有限元分析的关键环节，因为模型的合理

与否将直接决定计算能否完成。ANSYS的实体建模主要分为以下步骤：创建或读入几何模型，定义材料属性，划分网格（节点以及单元）。其中，读入模型选项适用于已经通过其他CAD（计算机辅助设计）软件建立几何模型的场合。

ANSYS施加载荷的方式分为两种，即在有限元模

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・微电子与基础产品・电子工程师2007年2月

型上施加载荷和在实体模型上施加载荷。有限元模型是指单元和节点，而实体模型包括关键点、线段、面和体，在实体模型上施加的载荷可以转变为有限元模型

温度、热流率、对载荷。ANSYS共提供了6种热载荷：

流、热流密度、生热率和辐射率。

在对一个稳态热分析问题进行求解时，通常需要

非线性选项以及输出控制等载荷设定时间/频率选项、

步选项。

后处理即是将热分析的结果写入＊.rth文件中。结果可以以彩色云图、矢量图或列表显示等。

图4 MCM网格划分图

整个模型选用的是适合规则长方体形状单元划分

3 实例分析

3.1 模型的建立和网格划分

图2为MCM的俯视图，5片芯片按如图所示尺寸分布于基板上，芯片采用硅材料，芯片与基板之间通过粘结剂粘合。其中，大芯片的尺寸为8mm>8mm>

0.7mm，

周围4个小芯片的尺寸相等，为4mm>4mm>0.7mm，大小芯片之间的中心距为10mm。基板的尺寸为60mm>40mm>1.5mm。

图2 MCM的俯视图

模型中所采用的材料、热导率及其模型中各个部分的厚度见表1。

表1 模型的材料、尺寸及其热导率!

模型组件材料!（

/W・（m・k）-1

）厚度/mm芯片硅80

0.7粘结剂粘结剂1.10.1基板

聚酰亚胺

0.2

1.5

图3、图4分别为MCM模型和网格划分图。

图3 MCM模型图

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20节点的三维实体热单元ThermaISOLID90节点单元。在定义了单元类型、模型尺寸、材料定义的基础上，对该模型进行网格划分，即模型的离散化过程。但必须注意的是，在网格划分之前必须将各个体单元进行布尔逻辑的合并，这样在后一阶段载荷施加的过程

中，

MCM中各个不同部分的热以及能量才可以进行传递。由于网格划分的好坏会直接影响分析结果的准确性，所以在划分网格时，尤其对芯片的边缘进行了细化

工作。从图4可以看出，

各个芯片内部网格的划分为中等大小的密度，芯片的四周边缘的网格划分最细，考虑到实际热传导的情况，对基板的网格划分为中间部分较密，逐步过渡到边缘比较稀疏。整个有限元模型由9832个单元和18021个节点所组成。3.2 模型的边界条件和载荷的施加及求解

模型的热边界条件如下：芯片的正常工作室温为20C，热源为芯片的功耗，其中间大芯片功耗2W，周围4个小芯片功耗0.25W。各功率芯片的功耗在ANSYS中用热生成率!G表示，计算公式如下：

!\"

#G$

式中：#为芯片的功耗；$为芯片的体积。

内部各材料之间通过热传导进行传热，服从傅里叶传热定律；模型外部通过与对流进行散热，服从牛顿冷却定律。

图5、

图6分别为采用空气自然对流和液体强制对流条件下得到的不同的温度分布云图。由图5、图6中可以看出：模型中温度的最高值在中间大芯片的中心，温度的最低值在基板的外拐角处。

图5 空气自然对流下的MCM温度分布

第33卷第2期陈 云，等：有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用・微电子与基础产品・

散热措施，比如增加热沉等，来仿真得出合理的芯片散热措施。

4 结束语

采用有限元分析软件ANSYS可以对应用于某种特殊场合的MCM在各种不同的功率条件以及对流条

图6 液体强制对流下的MCM温度分布

件下的温度分布和散热情况进行模拟，比较各种不同情况下整个MCM的温度分布情况。与以往的二维热分析相比，三维的热分析软件ANSYS不仅可以提供MCM垂直方向上的热传导情况，还可以定量地分析水平方向上的温度分布，其仿真的模型更接近实际的物理模型，为工程上可以提供更为有效的数据。

参 考 文 献

［1］张朝晖.ANSYS8.0热分析教程与实例解析［M］.北京：

中国铁道出版社，2005.

［2］龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析［M］.北京：机械工

2003.业出版社，

［3］杨邦朝，张经国.多芯片组件技术（MCM）及其应用［M］.

成都：电子科技大学出版社，2000.

［4］中国电子学会生产技术学分会丛书编委会.微电子封装

技术［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2003.［5］LASANCECJM，VINKEH，ROSTENH.ThermaIcharac-terizationofeIectronicdevicesbymeansofboundaryconditionindependentcompactmodeIs［J］.IEEETransonCompo-1995，18nents，Packaging，andmanufacturingTechnoIogy，（4）：723-731.

陈 云（1979-），女，硕士研究生，主要研究方向为数字系统与集成电路设计；

徐 晨（1960-），男，硕士研究生导师，教授，主要研究方向为FPGA设计、数字系统与集成电路设计。

此外，各个冷却机理下，强制空气对流和自然液体对流

情况下芯片温度的分布的分析结果见表2。

表2 不同冷却机理下MCM上的最高和最低温度表主要冷却机理空气自然空气强制液体自然液体强制

最高温度/最低温度/

2-1

CC（W・（m・C））

10401001000

245.7202.5142.155.7

18.418.618.912.6

对流传热系数/

3.3 散热性能改善分析

根据以上计算结果，在空气自然对流情况下，模型超过了降额设计的允许值。的最大结温为245.7C，

为使其能正常工作，提高可靠性，需要对其散热性能进行改善。该例设计了3种提高对流传热系数的措施，即空气强制对流、液体自然对流、液体强制对流，用以提高芯片的散热性能。采用液体对流形式时的液体为水。根据仿真结果，可得知采用液体强制对流时可以获得较好的散热效果。

如果以芯片的最高温度小于85C为降额设计准则，则通过模拟计算可知：对于这种结构的MCM，采用液体强制对流时，最大可承受3W的大功率芯片，以及1W左右的小功率芯片。当然，也可以采取其他的

ApplicationofANSYS-finiteElementAnalysisSoftwaretoThermalAnalysisofMultichipModule

CHENYun，XUChen

（NantongUniversity，Nantong226007，China）

Abstract：ThethermaIanaIysistechniguebecomesoneofkeytechniguesofthereaIibiIitydesignofmuIti-chipmoduIe（MCM）.NumericaIsimuIationbasedonfiniteeIementmethodisanimportanttooIinthethermaIanaIysisofMCM.AthreedimensionaIthermaImodeIofakindofMCMforspeciaIusewasestabIishedwithANSYStocaIcuIatethetemperaturedistribution.Theeffectoffreeairconvection，forced-airconvection，freeIiguidconvection，andforcedIiguidconvectionontemperaturedistributionandpowerdissipationofMCMwasanaIyzedguantitativeIy.ThesimuIatedresuItscouIdprovideatheoreticaIbasisforthermaIdesignofMCM.

Keywords：MCM；thermaIanaIysis；finiteeIementmethod；ANSYS

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