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，同時也帶來了熱流密度急劇增加。統(tǒng)計結(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)載荷過程中流場、溫度場、應(yīng)力場之間耦合作用的研究還相對薄弱。為此，本文開展了熱循環(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，開展了極地環(huán)境對固態(tài)硬盤傳熱特性影響的測試實驗研究。
　　為深入了解電子器件工作時元器件級元件的傳熱特性，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，研究工作過程中流場、溫度場、應(yīng)力場的動態(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)載荷對器件所處物理場的影響。在該模型中，采用器件自身發(fā)熱功率隨時間變化來實現(xiàn)循環(huán)熱載荷。研究結(jié)果表明，熱循環(huán)

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

4、的上表面部位。功耗上升、功率轉(zhuǎn)換時間縮短、環(huán)境溫度上升、環(huán)境氣壓下降都會導(dǎo)致BGA封裝體中關(guān)鍵焊點熱疲勞壽命縮短。其中，功耗和環(huán)境溫度對關(guān)鍵焊點熱疲勞壽命的影響明顯，功率轉(zhuǎn)換時間以及環(huán)境氣壓對關(guān)鍵焊點熱疲勞壽命的影響相對較小。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，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、　　針對電子器件在極地環(huán)境的特殊應(yīng)用，本文設(shè)計并搭建了極地環(huán)境模擬系統(tǒng)，開展了固態(tài)硬盤工作過程中傳熱性能測試實驗。實驗中，硬盤的工作狀態(tài)分為待機、讀寫，對硬盤在極地環(huán)境下傳熱行為進(jìn)行測試并記錄硬盤在待機、讀寫等工作狀態(tài)下的溫度動態(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，待機狀態(tài)（硬盤功耗0.5W）芯片溫升約為8℃，工作狀態(tài)（硬