電子器件傳熱特性研究及熱疲勞分析.pdf

1、隨著電子封裝技術(shù)發(fā)展，電子器件高度集成化使得性能大幅提升，同時(shí)也帶來(lái)了熱流密度急劇增加。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，約55％的電子器件失效是由熱載荷引起的，尤其在惡劣工作環(huán)境下，電子器件熱失效直接影響了系統(tǒng)可靠性。
　　焊點(diǎn)熱疲勞是電子器件封裝結(jié)構(gòu)熱失效的主導(dǎo)因素，但是，目前電子器件的熱特性與熱疲勞壽命之間的內(nèi)在關(guān)系并不清晰，尤其是熱循環(huán)載荷過(guò)程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)之間耦合作用的研究還相對(duì)薄弱。為此，本文開(kāi)展了熱循環(huán)載荷下BGA封裝體傳熱及熱

2、應(yīng)力的模擬研究和電子器件熱疲勞壽命影響因素分析。另外，開(kāi)展了極地環(huán)境對(duì)固態(tài)硬盤傳熱特性影響的測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。
　　為深入了解電子器件工作時(shí)元器件級(jí)元件的傳熱特性，本文構(gòu)建了熱循環(huán)條件下球柵陣列(BGA)封裝體傳熱和應(yīng)力耦合的非穩(wěn)態(tài)理論模型，研究工作過(guò)程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，并采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值求解，分析了熱循環(huán)載荷對(duì)器件所處物理場(chǎng)的影響。在該模型中，采用器件自身發(fā)熱功率隨時(shí)間變化來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)熱載荷。研究結(jié)果表明，熱循環(huán)

3、過(guò)程中，BGA封裝體最高溫點(diǎn)均位于作為熱源的芯片上，承受應(yīng)力最大點(diǎn)位于陣列最外拐點(diǎn)與上下側(cè)材料的連接部位。
　　為分析電子器件工作時(shí)的環(huán)境及功耗參數(shù)對(duì)電子器件熱疲勞壽命的影響，基于BGA封裝體數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，采用Darveaux能量方法預(yù)測(cè)BGA封裝體焊點(diǎn)熱疲勞壽命，分析了環(huán)境因素以及功耗參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響。研究結(jié)果表明，BGA封裝體中壽命最短的關(guān)鍵焊點(diǎn)位于焊點(diǎn)陣列最外拐點(diǎn)處，其內(nèi)部產(chǎn)生的斷裂裂紋將出現(xiàn)在焊點(diǎn)與硅芯片接觸

4、的上表面部位。功耗上升、功率轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短、環(huán)境溫度上升、環(huán)境氣壓下降都會(huì)導(dǎo)致BGA封裝體中關(guān)鍵焊點(diǎn)熱疲勞壽命縮短。其中，功耗和環(huán)境溫度對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響明顯，功率轉(zhuǎn)換時(shí)間以及環(huán)境氣壓對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響相對(duì)較小。相同環(huán)境條件，功耗由20MW/m3上升到100MW/m3，壽命減小10730倍;相同功耗條件，環(huán)境溫度由-20℃上升到20℃時(shí)，壽命減小107倍，環(huán)境氣壓由1bar下降到0.1bar，其壽命減小37.4％。

5、　　針對(duì)電子器件在極地環(huán)境的特殊應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)并搭建了極地環(huán)境模擬系統(tǒng)，開(kāi)展了固態(tài)硬盤工作過(guò)程中傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，硬盤的工作狀態(tài)分為待機(jī)、讀寫，對(duì)硬盤在極地環(huán)境下傳熱行為進(jìn)行測(cè)試并記錄硬盤在待機(jī)、讀寫等工作狀態(tài)下的溫度動(dòng)態(tài)變化。研究結(jié)果表明，硬盤主板在不同工作狀態(tài)皆呈現(xiàn)溫度不均勻現(xiàn)象。待機(jī)和讀寫狀態(tài)硬盤主板最大溫差分別為2℃和5℃。在極地環(huán)境(13℃，0.55bar)下，待機(jī)狀態(tài)（硬盤功耗0.5W）芯片溫升約為8℃，工作狀態(tài)（硬