跳出包装思考

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

在弗吉尼亚理工大学，大事都是小事情。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的探索，为电气工程、机械工程和材料科学在电力电子领域的改进中相互关联的方式提供了重要的见解。

一听到“电子产品包装”这个词，你就会看到成百上千的纸板箱。有些纸箱很有吸引力，但有吸引力的纸箱并不是我们在弗吉尼亚理工学院ECE 4984/5984:电子包装课程中探索的内容。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。它们都是很小的东西，有些还不到1平方毫米，但它们所呈现的多物理场挑战足够大，足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很少有其他课程提供的视角。

在过去，我的学生必须执行相当多的计算才能获得这种视角的一小部分，但今天他们通过使用Ansys Q3D Extractor和Ansys Icepak获得了更大的洞察力。

一粒塑料中的互动世界

为什么会有人想花一学期的时间来研究电子包装设计呢?简而言之，封装本身对嵌入其中的组件的性能有重大影响。封装远不只是半导体和集成电路，封装在一些塑料黑盒子里，上面有许多微小的金属脚。它们体现了制造技术、材料和多物理场挑战的发展，这些挑战来自于向更小的包装设计前进的步伐。

弗吉尼亚理工大学的学生使用Ansys电子桌面加载晶体管大纲包到Q3D提取器。

从根本上说，一个包为内置的电子设备提供了四种功能:

• 保护免受环境变量，如湿度，热量，化学品和腐蚀
• 电子信号互连
• 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散去，使它们能够在器件的整个生命周期内可靠而有效地运行

VA技术学生使用Ansys Q3D Extractor来验证他们的计算，以确定直流电阻和直流电感的各种路径和组件在包中。

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。结果，芯片最终产生了同样多的热量，但它集中在一个更小的区域，增加了热通量。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，在优化散热的同时实现内部组件的最佳性能?这些答案与电气工程(EE)、机械工程(ME)和材料科学(MS)之间复杂的相互作用紧密相连——从电气工程的角度看可能是最好的答案，但从机械工程或材料科学的角度看不一定是最好的答案。如果考虑到包所针对的使用场景，这些单独的答案也可能不是最佳答案。

此外，热通量只是工程师面临的挑战之一，随着形式越来越小。另一个原因是包内元素的接近性。每个现实世界的元件(而不是理论上完美的元件)都有所谓的寄生特性——例如寄生电感或寄生电阻——会产生意想不到的影响，例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所固有的，并且可以很容易地计算出任何单个组件的寄生特性。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，产生一种不同于单独寄生效应的新效应，而不仅仅是它们的总和。有时，复合效应是有益的;其他时候则是有害的。你怎么知道会是哪一个?你测试。你分析。 You refine.

利用ansys获得深刻见解

来自Ansys的仿真软件是帮助ECE 4984/5984学生获得见解的关键，这些见解可以帮助他们理解所有这些动力学，反过来，帮助他们学习如何应对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轮廓(TO)封装的电气和热性能，这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，以确定包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的电阻最大，哪个回路的电感最大，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，哪个组件对电源环路的电感最大，等等，并使用他们计算的值来证明他们的结论。最后，我要求他们解释如何降低直流电阻和电感，并推测他们的变化将对封装性能产生什么影响。

弗吉尼亚理工学院的学生使用Ansys Icepak创建四平面封装(QFP)的温度图与四个较小的模具和模具材料的封装。

然后他们将TO包加载到Q3D Extractor中以验证他们的发现。它总是很有趣。

在软件中，他们被要求识别并解释他们的计算结果与Q3D Extractor中电磁场模拟所显示的结果之间的差异。我们已经花了一到一个半课时学习如何使用软件，所以他们已经准备好了。他们发现的这些差异有时是巨大的，我希望他们弄清楚这些差异是如何产生的。有时最小的事情——例如，没有考虑到引线的弯曲——可能会导致计算值与模拟值之间的显著差异。然后他们被要求使用Q3D Extractor模拟交流电阻和电感，并回答一些关于交流电和直流电数值比较的问题。学生们可以在短短10分钟内从Q3D Extractor中学到什么-因为这就是所有需要的，甚至在他们的个人电脑上，执行一个to电磁场模拟-让他们大开眼界。在许多情况下，软件会验证他们自认为知道的东西，而在其他情况下，它会暴露他们没有充分考虑到的东西。Q3D Extractor为他们提供了一种快速探索替代方案的方法，并查看细微的变化如何贯穿整个包的结构。

增加冰堆分析

作为这个团队项目的一部分，学生们还使用Icepak来深入了解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上哪里散热最多，为什么?哪条路径具有最低的热阻，哪一个成分将在该路径中产生最大的热阻?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。同样，这总是有深刻的见解，因为很少有学生期望和模拟软件显示之间的完美匹配。

弗吉尼亚理工学院的学生可以使用Ansys Icepak来比较QFP的各种温度图。这里显示的是带有引线的QFP的温度图。

然后他们进行各种模拟来探索其他问题的答案。每个模具的最大结温是多少?包装上的哪个部位传热最大?这是意料之中的吗?哪里发生了最少的热传递，可以对包装做些什么来改善散热?

使用Ansys的工具，这些问题的答案很容易获得。3D热图比人工计算的1D和2D热图提供了更多的见解。很容易看到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、多物理相互作用的深入了解，这往往超出了他们在其他课程中遇到的情况。

一个复杂互动的世界暴露出来

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通过研究微小芯片的物理学，看到了一个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他们学科的实际应用。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——并不是真空中存在的。物理学并没有止步于他们学科的边缘。

VA Tech学生团队使用Ansys Electronics Desktop和Ansys Icepak分析晶体管轮廓(to)包的电气和热性能。

因此，我们专注于集成电气工程，机械工程和材料科学的多物理。没有多少其他课程可以让我们同时看到所有这些学科及其物理的相互作用，但对于那些渴望离开学校并在工业界找到工作的学生来说，这确实是一门重要的课程，特别是如果他们在公司工作，将电子包装纳入他们正在建造的产品中。

到目前为止，弗吉尼亚理工大学工程系的学生似乎都认同它的价值。在我教授这门课程的第一年，我曾希望招收多达10名学生，但由于需求太大，我最终只招收了15名学生。在我教授这门课程的第二年，有近40名学生入学。我们采用复杂的、真实的项目，将它们分解成小块，然后使用Ansys等强大的工具来帮助我们