跳出包装思考

作者:Christina DiMarino博士，美国弗吉尼亚理工学院和布莱克斯堡州立大学助理教授

在弗吉尼亚理工大学，大事都是小件。在这种情况下，在Ansys Q3D Extractor和Ansys Icepak的推动下，对微型电子封装的多物理场进行了探索，为电气工程、机械工程和材料科学在电力电子领域提供改进时相互关联的方式提供了深刻的见解。

在谷歌上搜索“电子产品包装”，你会看到数百个纸板箱。其中一些非常吸引人，但吸引人的纸板箱不是我们在弗吉尼亚理工大学ECE 4984/5984:电子包装课程中要探索的。我们感兴趣的电子封装与半导体器件(如集成电路)或功率半导体器件(如晶体管或二极管)的物理形式有关。它们是很小的东西，有些尺寸不到1平方毫米，但它们提出的多物理场挑战足够大，可以让我们的研究生和本科生对工程学科的相互作用有一个视角，这是其他课程很少提供的。

在过去，我的学生将不得不执行相当多的计算，甚至获得这个观点的一小部分，但今天他们通过使用Ansys Q3D提取器和Ansys Icepak获得更大的洞察力。

一粒塑料里充满了相互作用

为什么会有人想花一学期的时间来研究电子封装设计呢?简单地说，封装本身对嵌入其中的组件的性能有很大的影响。封装远不止是把半导体和集成电路封装在一些带有许多微小金属脚的塑料黑盒子里。它们体现了制造技术、材料和多物理场挑战的演变，这些挑战来自于向更小包装设计的前进。

弗吉尼亚理工大学的学生使用Ansys Electronics Desktop将晶体管轮廓包加载到Q3D Extractor中。

从根本上说，一个封装为嵌入其中的电子产品提供了四样东西:

• 保护免受环境变量，如湿度，热量，化学品和腐蚀
• 电信号互连
• 电子设备和电路的配电
• 热管理，确保热量从封装内的半导体器件消散，使其在器件的整个生命周期内可靠有效地运行

VA Tech的学生使用Ansys Q3D Extractor来验证他们的计算，以确定封装中各种路径和组件的直流电阻和直流电感。

随着时间的推移，随着这些芯片的效率越来越高，制造商们发现，他们可以在不增加组件本身产生的热量的情况下缩小芯片的尺寸。因此，芯片最终产生了相同的热量，但它集中在一个较小的区域，增加了热流。从工程设计的角度来看，这带来了一个真正的多物理场挑战:如何优化电子封装的设计，以实现组件的最佳性能，同时优化散热?这些问题的答案与电气工程(EE)、机械工程(ME)和材料科学(MS)的复杂相互作用密切相关——从EE的角度来看，可能是最好的答案，但从ME或MS的角度来看，不一定是最好的答案。在考虑包所要使用的使用场景时，这些单独的答案也可能不是最佳答案。

此外，热通量只是工程师们在形状变小时面临的挑战之一。另一个原因是包内元素的邻近性。每个现实世界的元件(与理论上完美的元件相反)都有所谓的寄生特性，例如寄生电感或寄生电阻，它们会产生意想不到的影响，比如会影响半导体器件本身开关的振铃。这种寄生特性是导体固有的，并且可以很容易地计算出任何单个元件的寄生特性。然而，当你把越来越多的导体放在一个更小的形式中，每个单独元素的寄生特性相互作用，产生一种不同于单个寄生效应的新效应，而不仅仅是单个寄生效应的总和。有时复合效应是有益的;有时它们是有害的。你怎么知道会是哪一个?你测试。你分析。 You refine.

通过ansys获得洞察力

Ansys的仿真软件是帮助学生在ECE 4984/5984获得见解的关键，可以帮助他们了解所有这些动态，反过来，帮助他们学习如何处理电子封装中固有的多物理场挑战。在一项作业中，学生小组分析晶体管封装的电气和热性能，晶体管封装是电力电子的标准封装。项目的第一部分要求他们进行一系列计算，以确定封装中各种路径和组件的直流电阻和直流电感。他们被要求确定哪条路径有最大的电阻，哪条环路有最大的电感，然后根据他们的计算解释他们的答案。然后，他们被要求确定哪个组件对栅极路径和漏极路径的电阻最大，哪个组件对功率环路的电感最大，等等，并使用他们计算的值来证明他们的结论是正确的。最后，我要求他们解释如何降低直流电阻和电感，并推测它们的变化会对封装性能产生什么影响。

VA Tech的学生使用Ansys Icepak为封装创建四个较小的模具和模具材料的四平面封装(QFP)的温度图。

然后他们将TO包加载到Q3D提取器中来验证他们的发现。它总是很有趣。

在软件中，他们被要求识别和解释他们的计算结果与Q3D Extractor中给出的电磁场模拟结果之间的差异。我们花了一到一节半的课来学习如何使用这个软件，所以他们已经准备好了。他们发现的差异有时是巨大的，我想让他们弄清楚这些差异是如何产生的。有时，最小的事情——例如，不考虑引线的弯曲——可能会导致计算值与模拟值之间的显著差异。然后要求他们使用Q3D提取器模拟交流电阻和电感，并回答一些关于交流和直流值比较的问题。学生可以在短短10分钟内从Q3D提取器中学到什么-因为这就是所有需要的，即使在他们的个人电脑上，也可以执行to电磁场模拟-这对他们来说是大开眼界的。在许多情况下，软件验证了他们认为自己知道的东西，而在其他情况下，它暴露了他们没有充分考虑到的东西。Q3D提取器为他们提供了一种快速探索替代方案的方法，并查看整个包的结构如何发生细微变化。

增加冰包分析

作为这个团队项目的一部分，学生们还使用Icepak来更深入地了解to封装的热特性。和以前一样，他们被要求提前计算一些结果。他们期望在to上散热最多的地方，为什么?哪条路径的热阻最小，哪条路径的热阻最大?怎样才能减少呢?

一旦他们计算出了这些问题的答案，并花了另一节课学习如何使用Icepak，他们就会加载to模型并运行热模拟来验证他们的答案。再一次，这总是很有见地，因为学生的期望和模拟软件显示的结果之间很少有完美的匹配。

VA Tech的学生可以使用Ansys Icepak来比较QFP的各种温度图。这里显示的是带引线的QFP的温度图。

然后，他们运行各种模拟来探索其他问题的答案。每个晶片的最高结温是多少?包装上的什么地方发生最大的热量传递?这是预料之中的吗?哪里发生了最少的热量传递，可以对包装做些什么来改善热量的排出?

有了Ansys的工具，这些问题的答案都很容易得到。3D热图提供的洞察力远远超过通常由手动计算产生的1D和2D洞察力。很容易看出热动力学和包装设计中使用的材料如何影响其电气特性和性能。同样，很容易看出封装内部组件的电气特性如何影响封装本身的材料和热特性。事实上，他们所获得的是对多维，多物理场相互作用的洞察，这通常超出了他们在其他课程中遇到的内容。

一个复杂的相互作用的世界

从电子工程到机械工程再到材料科学，来自各个工程学科的学生在研究微小芯片的物理特性时，看到了一个充满相互作用和变化的世界，这迫使他们开始以一种新的方式看待自己学科的实际应用。他们在本科或研究生阶段所关注的概念和技术——集成电路的电气特性或不同材料的物理特性——并不存在于真空中。物理学并没有止步于学科的边缘。

VA Tech的学生团队使用Ansys Electronics Desktop和Ansys Icepak来分析晶体管外形(to)封装的电气和热性能。

因此，我们的重点是多物理场集成了电气工程，机械工程和材料科学。没有多少其他的课程可以让我们同时看到所有这些学科和它们的物理学之间的相互作用，但对于那些渴望离开学校并在工业中找到工作的学生来说，这确实是一门重要的课程，特别是如果他们在将电子封装纳入他们正在制造的产品的公司中任职。

到目前为止，弗吉尼亚理工大学的工科学生似乎都认同它的价值。在我教授这门课程的第一年，我希望能招收10名学生，但由于需求太大，我最终只招收了15名学生。在我教这门课的第二年，有近40名学生报名。我们采用复杂的现实项目，将其分解成小块，然后使用Ansys等强大的工具来帮助我们