孙海燕，缪小勇，赵继聪，孙 玲，王洪辉



面向引线框架封装的热阻建模与分析

孙海燕1，缪小勇2，赵继聪1，孙 玲1，王洪辉2

（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）

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。

引线框架封装；热阻；建模；热仿真；优化分析；Icepak

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[1-3]。

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[4]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[5]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[6]。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a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j1、17、con和rad，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con和rad，还包括芯片粘贴胶热阻j2、载片台热阻23、芯片下方塑封体热阻34、封装和PCB之间的空气热阻45和PCB的热阻56；第三条传热路径中，除了包含56、con和rad，还包括键合线热阻wb和引线框架热阻lf。

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

Tab.1 Parameters of QFP model

表2 PCB模型参数

Tab.2 Parameters of PCB model

热传导可用一维傅里叶方程表示为：

式中：表示热流量；表示热导率；表示热流通过的横截面积；d/d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时的温度差，即：

（2）

进一步对公式（2）进行变换，得：

定义热阻为：

（4）

联合公式（3）、（4），传导方式下的热阻计算公式可表示为：

式中：代表热传导路径的长度；代表材料的热导率；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j1为例：

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

Tab.3 Calculated values of thermal resistance network

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[7]，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[8]，芯片到外界环境的热阻ja可表示为：

式中：j和a分别代表芯片最高结温和环境温度；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ja为127.8℃/W，该结果与上文中的理论分析值ja-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17、34，PCB热阻56和对流热阻con。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℃。

（a）0.2 W/(m·℃)

（b）2 W/(m·℃)

（c）3 W/(m·℃)

（d）5 W/(m·℃)

图6 不同热传导率情况下的温度分布

Fig.6 Temperature distributions corresponding to different thermal conductivities

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ja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ja的影响则变得有限，并呈现饱和趋势。

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7 热传导率与热阻的关系

（a）20 mm×10 mm

（b）30 mm×20 mm

（c）50 mm×40 mm

（d）150 mm×100 mm

图8 不同PCB面积情况下的温度分布图

Fig.8 Temperature distributions corresponding to different PCB areas

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ja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[9]。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℃。

（a）1 m/s

（b）2 m/s

（c）3 m/s

（d）4 m/s

图10 不同横向对流风速情况下的温度分布

Fig.10 Temperature distributions corresponding to different air flow speeds

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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（编辑：陈渝生）

Modeling and analysis of thermal resistance for lead frame package

SUN Haiyan1, MIAO Xiaoyong2, ZHAO Jicong1, SUN Ling1, WANG Honghui2

(1. Jiangsu Key Laboratory of ASIC Design, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu Province, China; 2. Tongfu Microelectronics Co., Ltd, Nantong 226006, Jiangsu Province, China)

Aim at the general QFP48 lead frame package, the heat transfer mechanism was firstly discussed, and the theoretical computing results for the thermal resistance was provided; then, the QFP48 finite element model was established by utilizing the Ansys Icepak software. The simulated results show good consistency with the theoretical analysis on the heat transfer mechanism. Finally, methods to reduce the thermal resistance and to improve the thermal reliability were discussed. The simulation results show, by properly increasing the thermal conductivity of the molding compound, increasing the area of PCB and introducing a forced convection, that the thermal resistance of QFP48 package is reduced and the heat dissipation effect is improved.

lead frame package; thermal resistance; modeling; thermal simulation; optimization analysis; Icepak

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.009

TN306

A

1001-2028（2017）05-0044-05

2017-04-18

孙玲

江苏省科技厅重点研发计划项目资助(No. BE2016007-2)；江苏省高校自然科学研究重大项目资助(No. 16KJA510006)；南通市科技应用基础研究计划项目资助(No. GY12015004)

孙海燕（1977－），男，江苏南通人，副研究员，博士，研究方向为集成电路封装设计，E-mail: sun.yan@ntu.edu.cn 。

网络出版时间：2017-05-11 13:25

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1325.009.html