SIMULACE TEPELNÝCH VLASTNOSTÍ POUZDER QFN A BGA

Transkript

1 2 B. Psota, I. Szendiuch: Simulace tepelných vlastností SIMULACE TEPELNÝCH VLASTNOSTÍ POUZDER QFN A BGA Ing. Boleslav Psota 1, doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. 2 Ústav mikroelektroniky; Fakulta elektrotechnicky a komunikačních technologií VUT v Brně, 1 xpsota03@stud.feec.vutbr.cz, 2 szend@feec.vutbr.cz Abstrakt Článek pojednává o aktuální oblasti současné mikroelektroniky, kterou je problematika odvodu tepla u moderních typů pouzder. Zde je zaměřena pozornost na pouzdra QFN (Quad-Flat No-leads) a částečně také BGA (Ball Grid Array). Problematika chlazení je řešena pomocí počítačových simulací v programu ANSYS Workbench. Důraz je kladen na možnosti úpravy desky pro uvedené typy pouzder a vyhodnocení zlepšení tepelných parametrů pro takovou úpravu. Klíčová slova: tepelný management, simulace, ANSYS, pouzdření Abstract The paper deals with the actual area of today s microelectronics, which is thermal management for modern electronic packages, with emphasis on QFN (Quad-Flat No-leads) and partially also BGA (Ball Grid Array). This cooling issue is solved by computer simulation using ANSYS Workbench. The main purpose is focused on the possibility of substrate modifications for these types of packages and the evaluation and improvement of thermal conditions for such configuration. Keywords: Thermal management, simulation, ANSYS, packaging 1 Úvod Počet součástek v moderních elektronických systémech, právě tak jako počet tranzistorů na polovodičových čipech, se neustále zvyšují. Přitom každý tranzistor spotřebovává určitou energii, která se mění v teplo. Toto teplo má následně degradační účinky, které mohou způsobit různé poruchy vedoucí ke ztrátě funkčnosti. Proto je třeba odvod tepla z čipu řešit v podstatě již od samého počátku návrhu. S rostoucím počtem součástek se proto tepelný management stal nedílnou součástí návrhu. Tak jak elektronická zařízení jsou stále složitější, stejně tak je i řešení odvodu tepla stále náročnější a komplikovanější, neboť moderní elektronická zařízení představují stále výrazněji heterogenní systém. To vše je umocněno ještě trendem neustálé miniaturizace nejen výrobků, ale i samotných součástek. Tím se omezuje prostor pro odvod tepla, možnost umístění aktivních či pasivních chladičů, a je nezbytné hledat nové cesty pro chlazení sestavy. Pokud se zaměříme přímo na elektronická pouzdra, situace je v podstatě totožná. Často není možnost čip chladit prostřednictvím chladiče a je nutno hledat optimální cestu pro odvod tepla, respektive takovou cestu vytvořit. To se děje již při návrhu konstrukce pouzdra, ale přitom je třeba si také uvědomit, že zde úkol návrháře nekončí a je nezbytné zajistit odvod tepla dále do systému. Tato skutečnost je částečně omezena zvoleným typem pouzdra, které je pro aplikaci použito. V tomto článku je zaměřena pozornost na sledování dvou typů pouzder, a to velice populárního a rozšířeného pouzdra BGA (Ball Grid Array Package), a také stále více používanějšího pouzdra QFN (Quad-Flat No-Leads Package), které jsou ukázány na obr. 1. QFN pouzdro je zvoleno jako typický představitel pouzdra, pro které je nezbytné upravit i desku plošných spojů (DPS), žto BGA je zde zastoupen pro porovnání sledovaných parametrů. V oblasti tepelného managementu pouzder již byla publikována řada článků, které se zabývaly zejména popisem tepelných vlastností samotného pouzdra. Například pouzdru BGA se věnovala práce S. Krishnamoorthiho [1], nebo QFN práce A. C. W. Lua [2]. V obou případech je řešeno především samotné pouzdro, avšak praxe ukazuje, že na odvod tepla a s tím související chlazení je třeba nahlížet v širším pohledu, který zahrnuje i samotnou montáž pouzdra. Tento článek je zaměřen na možnost úpravy desky plošných spojů pro moderní typy pouzder, s pomocí simulací lze určit, jak velkého zlepšení odvodu tepla z čipu lze dosáhnout pro různé modifikace DPS. Obr. 1. Elektronické pouzdro QFN (nahoře) a BGA (dole) [3, 4]. Pokud se tedy zaměříme na samotný tepelný návrh pouzder, dojdeme k závěru, že je třeba provést kompletní řešení systému. To je často značně komplikované, a tak se využívá zjednodušení ve formě 2D řešení. Tím však nezískáme dostatečný přehled o odvodu tepla dále, ale pouze v jedné ose. Abychom dosáhli relevantních výsledků, je třeba přejít do prostoru 3D. Zde však rovnice pro výpočet problematiky exponenciálně narůstají a často se tak využívají moderní výpočetní metody, zejména pak počítačové simulace. Pro naše potřeby byl využit výpočetní systém ANSYS Workbench. 2 Základy tepelného managementu Základní principy tepelného managementu jsou založeny na teorii přenosu tepla systémem. To se může dít vedením, prouděním nebo radiací. Při návrhu pouzdra se uplatňují zejména první dva principy přenosu tepla. Radiace zpravidla nehraje tak významnou roli, takže její účinky není nutné při návrhu zohledňovat.

2 B. Psota, I. Szendiuch: Simulace tepelných vlastností Kondukce (vedení) Kondukce hraje pravděpodobně nejvýznamnější roli při odvodu tepla od čipu. Jedná se o přenos tepla zejména mezi pevnými tělesy. Princip přenosu je založen na interakci částic mezi sebou, kdy si vzájemně předávají tepelnou energii prostřednictvím kmitavých pohybů, přitom však nedochází k přenosu hmoty. Určující veličinou je zde tepelný tok, pro který můžeme psát [5] T Φ = λ A, (1) d Φ je tepelný tok [W], λ je součinitel teplotní vodivosti [W.m -1. K -1 ], A je uvažovaná plocha [m 2 ], ΔT je teplotní rozdíl [K], d je vzdálenost mezi izotermickými plochami [m]. 2.2 Konvekce (proudění) Dalším tepelným mechanismem, který se podílí na přenosu tepla, je konvekce neboli proudění. Jde o přenos tepla mezi tuhým povrchem a plynným či kapalným prostředím. Takový jev můžeme popsat opět pomocí rovnice [5] Φ = k A ΔT, (2) Φ je tepelný tok z povrchu do okolí [W], k je koeficient přestupu tepla [W. m -2. K -1 ], A je plocha přestupu tepla [m 2 ], ΔT je teplotní rozdíl mezi povrchy [K]. Při popisu tepelného chování pouzdra hraje konvekce významnou roli z hlediska ochlazování pouzdra okolním vzduchem. Abychom byli schopni vypočítat tento přenos, je nutno správně definovat koeficient přestupu tepla (k). Ten vychází z kriteriálních rovnic podobnosti, na jejichž základě můžeme definovat Nusseltovo číslo (Nu) [6] Nu ) n = c( Pr Gr, (3) Pr je Prandtlovo číslo, Gr je Grasshofovo číslo, c a n jsou konstanty závislé na hodnotě Pr.Gr. Odtud pak můžeme definovat součinitel přestupu tepla [6] Nu λ k =, (4) l k je koeficient přestupu tepla [W. m -2. K -1 ], λ je teplotní vodivost vzduchu v mezní vrstvě kolem tělesa [W.m -1.K -1 ], l je charakteristický rozměr; u svislých, šikmých a zakřivených povrchů a těles výška (rozměr ve směru gravitační síly), u vodorovných volně obtékaných desek a povrchů nejmenší vodorovný rozměr. Výpočet koeficientu k byl proveden pro všechny materiály, a to jak pro horizontální, tak i pro vertikální směr. Vypočítané koeficienty pak byly dosazeny do simulací, přičemž teplota okolí byla nastavena na 25 C. 2.3 Radiace (záření) Posledním typem přenosu tepla je záření. To se vyskytuje u všech těles, které mají větší teplotu než 0 K. Při počítání radiace se vychází z teorie černého tělesa, tedy takového, které pohlcuje veškeré dopadající záření a nedochází k žádnému průchodu ani odrazu záření. Energie, kterou takové těleso vyzáří, se označuje E b. Pomocí této energie můžeme definovat relativní emisi povrchu reálného tělesa [5] E ε =, (5) ε je relativní emise reálného povrchu [-], E je emise reálného tělesa, E b je emise černého tělesa. 2.4 Tepelný odpor Při výpočtu tepelného odporu můžeme vycházet z výše uvedených rovnic. Pro kondukci využijeme vztah (1), pomocí kterého můžeme psát [5]: E b ( T T ) TJA J A R = =, (6) Φ Φ R je tepelný odpor mezi čipem a okolím [K. W -1 ], T J je teplota čipu [K], T A je teplota okolí [K], Φ je procházející tepelný tok [W]. U elektronických pouzder rozumíme tepelným odporem schopnost tepla procházet daným prostředím, tedy mezi čipem a okolím pouzdra, respektive deskou plošných spojů, na kterou je pouzdro připojeno. Pro konvekční mechanismus uvažujeme tepelný odpor, způsobený přestupem tepla do okolního prostředí [5]: R S 1 =, (7) k A S R S je tepelný odpor příslušného povrchu způsobený přestupem tepla [K.W -1 ], k je součinitel přestupu tepla [W.m -2.K -1 ], A S je obsah plochy povrchu, dochází k přestupu tepla [m 2 ]. U definice tepelného odporu pro záření je situace složitější. Často se však využívá vyjádření takzvaného ekvivalentního tepelného odporu R* [5]: * 1 R =, (8) 7 2,27 10 Aε T A je obsah plochy tělesa [m 2 ], ε je relativní emise povrchu [-], T 0 je okolní teplota [K]. Na základě znalosti tepelného odporu pak můžeme sledovat, s jakou obtíží dochází k odvodu tepla ze systému. Pokud není odvod dostatečný, musíme vytvořit alternativní cestu či přenos tepla zlepšit. 3 0

3 4 B. Psota, I. Szendiuch: Simulace tepelných vlastností.. 3 Počítačové simulace Rovnice popsané v předchozí kapitole jsou zcela zásadní a při tepelném návrhu pouzdra je nezbytné se jimi řídit, avšak jejich výpočet se komplikuje s přechodem z 2D rozměru do 3D. Zde je totiž nutno počítat s dalšími vlivy a rovnice podle toho patřičně upravit. Výpočet by tak byl značně komplikovaný. Proto jsme využili moderní způsob řešení v podobě počítačových simulací. Ty nám jednak usnadňují samotný výpočet, ale také nám dávají možnost zobrazit výstupní veličiny v přehledném tvaru. Základem počítačové simulace je metoda konečných prvků. Ta je založena na rozdělení ploch virtuálního modelu na diskrétní úseky, které jsou pak popsány matematickými rovnicemi v závislosti na zvoleném typu analýzy. Síť, která je takto vytvořena, se nazývá mesh. Správné nastavení meshe je zcela zásadní pro výpočet. Obecně platí, že čím je síť hustější, tím dostáváme správnější výsledky. S nárůstem hustoty sítě však také narůstá čas potřebný pro simulaci a obecně také nároky na hardwarové vybavení počítače. Je tak nutno volit kompromis mezi těmito dvěma požadavky, či se dostat na hranici, již další zpřesnění nemá smysl (přesnost na několik desetinných míst). Jedním z nejzákladnějších vstupů každé simulace, na němž závisí konečná přesnost, jsou fyzikální vlastnosti materiálů použitých v analýze. Jejich souhrn můžeme vidět v tab. 1. Tab. 1. Přehled materiálových vlastností [8]. Materiál Součinitel teplotní vodivosti [W.m -1.K -1 ] Tepelná kapacita [J.g -1.K -1 ] Adhezivum 3,8 0,8 Čip 108 Kompozitní vrstva 0,67 0,9 Měď 401 0,385 Pájka SnPb 50 0,15 Substrát FR4 (pro osy X; Y; Z) 20,62; 0,366; 20,62 1,26 Teplotní analýza je prováděna na základě tepelného toku. U elektronických pouzder je teplo generováno čipem, od kterého se dále šíří do okolí v závislosti na tepelné vodivosti materiálů. Úkolem návrháře je optimalizovat tuto cestu, aby byl zajištěn nejlepší možný odvod tepla od čipu a ten se nadměrně nezahříval. Z velké části je tento problém řešen konstrukcí samotného pouzdra, ale je nutno si uvědomit, že je třeba počítat i s možnostmi připojení pouzdra na substrát a řešit tak tepelný management v širším měřítku. Abychom byly schopni porovnat výsledky jednotlivých simulací, byl nastaven tepelný výkon čipu na 1W u všech analýz, a to jak pro pouzdro QFN, tak i pro pouzdro BGA. Kromě tepelného výkonu hraje důležitou roli také nastavení okrajových podmínek, kdy byla na model aplikována konvekce podle rovnic v kapitole 2.2 (teplota okolí byla zvolena 25 C), a stejně tak radiace, jak vyplývá z kapitoly Pouzdro QFN (Quad Flat No-leads) Obr. 2. Popis pouzdra (nahoře) [7] a model s vytvořenou sítí (dole). Abychom mohli model dobře prokreslit a použít jemnější síť, využívá se často symetrie modelu. Pokud je model symetrický podle některé či více os, můžeme počítat například pouze polovinu, nebo čtvrtinu soustavy a v této oblasti použít stejný počet uzlů, které byly původně v celém modelu. Toho bylo využito i v našich simulacích, kdy bylo zvoleno symetrické uspořádání ve dvou osách. Virtuální model a vytvořená síť jsou na obr Teplotní analýza Jak již bylo naznačeno v předešlém textu, teplotní simulace modelu je založena na základních fyzikálních principech přenosu tepla. Vlastní výpočet je poté kombinací uvedených matematických vztahů v závislosti na výkonovém zatížení modelu. Abychom dostali přesné výsledky, je nutné co nejpřesněji definovat a zadat vstupní data pro vlastní simulaci. Elektronické pouzdro QFN se stává čím dál tím více populárnějším typem, a to zejména díky velmi dobrým tepelným charakteristikám. Čip je zde nejčastěji přilepen na kovovou základnu pouzdra prostřednictvím teplo-vodivého lepidla. Elektrické propojení je zajištěno mikrodrátky, které jsou spojeny s vývody; tento celek je pak zapouzdřen kompozitním materiálem, který plní funkci mechanické ochrany. Teplo zde proudí směrem od čipu přes lepidlo a termální plošku do substrátu, dochází k jeho rozptýlení. V simulacích jsme sledovali vliv úpravy základního substrátu na tepelné charakteristiky pouzdra. V prvním případě bylo zvoleno přímé připojení pouzdra QFN na substrát bez jakýchkoli dalších úprav desky plošných spojů (DPS). Výsledky simulace takové soustavy jsou patrné z obr. 3. Lze pozorovat, že teplo se příliš nešíří do substrátu, ale spíše zůstává v okolí pouzdra. Pokud bychom si zobrazili tepelný tok, zjistili bychom, že teplo se šíří stejnou měrou jak přes termální plošku, tak i přes kontakty. To může způsobit problémy ve vyhodnocení signálu, ale také snížení spolehlivosti zařízení. Pro omezení tohoto vlivu byla použita měď plátovaná na povrch DPS, která byla propojena s termální ploškou. Tím jsme zajistili odvod tepla zespodu pouzdra, které se tak mohlo šířit do měděné plochy a dále pak do okolí. Díky tomuto poklesla teplota čipu téměř o 7,3 C. Výsledek simulace je zobrazen na obr. 4.

4 Slaboproudý obzor Obr. 3. B. Psota, I. Szendiuch: Simulace tepelných vlastností Rozložení teploty pouzdra QFN pro základní konfiguraci. 5 Při této úpravě došlo ke znatelnému vylepšení tepelných charakteristik. Abychom ještě více podpořili rozptyl tepla v substrátu, zvolili jsme další dvě konfigurace, kdy byl substrát upraven vrstvou mědi ze spodní strany a uprostřed. Pro tyto úpravy jsme sledovali jak pokles teploty čipu, tak i rozložení tepla v soustavě. Ačkoli došlo ke zlepšení při obou variantách, nebyla tato tak výrazná, aby šlo tuto modifikaci obecně doporučit s ohledem na cenu takové soustavy. Pro náročnější aplikace by však mohla být tato úprava vhodná, a to především díky vcelku jednoduché modifikaci DPS. V další simulaci je využita základní deska opatřená tepelnými prokovy. Ty jsou propojeny s teplotní ploškou pouzdra, což usnadňuje vedení tepla. Opět byly voleny dvě varianty, a to využití samotných tepelných prokovů a dále pak ještě vylepšení v podobě spojení prokovů s vrstvou mědi, která byla plátovaná zespodu substrátu, jak je patrné z obr. 5 a 6. Jak lze vidět, tato varianta vychází nejlépe ze zmíněných, co se týče rozložení tepla, kdy se ohřívá celý objem desky. Dodatečná úprava s mědí je vhodná tam, je žádoucí, aby se nezahřívala příliš vrchní strana desky, neboť bývá povětšinou osazena součástkami, u kterých by se mohly vlivem tepla namáhat spoje, případně by mohlo dojít ke zkreslení signálu, atd. Ukázka tepelného toku v takovém systému je na obr Pouzdro BGA (Ball Grid Array) Obr. 4. Rozložení teploty (nahoře) a tepelného toku (dole) pro úpravu s mědí. Obr. 5. Konfigurace pouzdra QFN s tepelnými prokovy. Abychom mohli srovnat získané výsledky, použili jsme jedno z nejpoužívanějších pouzder, BGA. Jeho konstrukce neumožňuje tak kvalitní odvod tepla jako pouzdro QFN, ale i zde je možné vylepšit tepelné parametry soustavy. V první simulaci jsme pouzdro ponechali bez jakýchkoli úprav, přitom jsme nastavili výkon čipu stejný, jako byl v předchozím případě u pouzdra QFN. Obr. 8. Obr. 6. Využití tepelných prokovů v kombinaci se spodně plátovanou mědí. Obr. 7. Zobrazení tepelného toku při využití prokovů. Jednoduché propojení pouzdra BGA s DPS. Teplota je zde daleko vyšší než u předchozího pouzdra, což je dáno možností odvodu tepla pouze přes kuličkové kontakty. Celková plocha pro odvod je tak daleko menší než u pouzdra QFN. V další fázi jsme opět využili úpravu substrátu plátováním mědi na jeho povrch. Ačkoli efektivita takové úpravy není stejně velká jako u QFN, i zde došlo k poklesu teploty, a to o 2 C. Daleko větší pokles pak nastal při využití desky s prokovy, které byly umístěny mezi kuličkové vývody. Při uvažování elektrického propojení by však mohly prokovy znamenat problém a návrh by byl o to komplikovanější. Simulace pouzdra BGA na desce s tepelnými prokovy je na obr. 9. V poslední simulaci je použit jiný přístup, a to úprava pouzdra v podobě typu EBGA (Enhanced Ball Grid Array). To spočívá v jiném přístupu připojení čipu na substrát, kdy je čip obrácen a teplo je směrováno na vrchní stranu pouzdra. V předchozích případech jsme vždy uvažovali tepelný tok do substrátu, což je u tohoto typu potlačeno a hlavní tok

5 6 B. Psota, I. Szendiuch: Simulace tepelných vlastností.. směřuje opačným směrem. Nutno podotknout, že tento typ pouzdra se využívá zejména v kombinaci s pasivním chlazením, umístěným právě na vrchní straně pouzdra. To však bylo v simulaci zanedbáno, a proto i teplota na čipu je vyšší než by se dalo předpokládat, viz obr. 10. u nichž výkonová ztráta dosahuje často několik jednotek až desítek wattů. Jak vyplývá z této studie, s rostoucím výkonem a teplotou je nutné přistupovat k otázce pouzdření v komplexnější míře, než tomu bylo v minulosti. Je důležité se zabývat jak návrhem samotného pouzdra včetně způsobu připojení čipu, tak také jeho připojením na substrát. Zde se ukázalo, že významným faktorem je návrh a případná úprava DPS pro každou konkrétní aplikaci, což je jednou z dostupných možností pro dosažení dostatečného chlazení. Na základě simulací pak lze snadno posoudit, která úprava a v jaké míře je pro danou aplikaci nejvhodnější. Obr. 9. Využití upravené desky pro pouzdro BGA. Tab. 2. Souhrn teplot pro jednotlivé úpravy DPS. Teplota čipu [ C] Pouzdro Úprava desky QFN BGA Základní připojení 109,34 122,67 Plátovaná měď 102,12 120,79 Prokovy 97,19 114,68 Obr. 10. Tepelná charakteristika pouzdra EBGA. 4 Závěr Na základě provedených simulací lze učinit určité závěry, které mohou být využity jak při konstrukci resp. volbě pouzdra, tak při jeho montáži na DPS. V našem případě se ukázalo, že jako nejvhodnější úprava pro zlepšení tepelných vlastností pouzdra se jeví provedení DPS s prokovy. Toto řešení poskytuje jak dobrý odvod tepla od čipu, tak také následné dobré rozložení tepla do prostoru celé desky, a systém se tak v čase poměrně dobře chladí. Nelze však přitom opomenout skutečnost, že tato varianta je nejdražší a také nejsložitější na výrobu. Proto zejména pro pouzdro QFN je často vhodnější úprava desky plátovanou mědí. Ta rovněž poskytuje velmi dobrý odvod tepla, přitom je ale třeba počítat s novou skutečností. Tou je možné ovlivnění součástek, především těch, které jsou na horní straně desky. Pro pouzdro BGA je situace poněkud složitější, neboť zde nelze použít stejný přístup jako v předchozím případě. Ale i u tohoto typu pouzdra nejlépe vyšla varianta s tepelnými prokovy. Teplo v tomto případě ale prochází přímo přes kontakty pouzdra, což může v některých případech ovlivnit jeho správnou funkci a spolehlivost. Proto se jeví jako vhodné řešení použití úpravy pouzdra ve formě EBGA (Enhanced Ball Grid Array), je čip v pouzdru kontaktován mikrodrátky. Potom se na jeho vrchní stranu musí umístit pasivní chladič. Využití této varianty, která je považována obecně za úsporné řešení, je však závislé na prostorovém omezení sestavy. Výsledky ze simulací jsou přehledně shrnuty v tab. 2. Zde jsou uvedeny střední hodnoty teploty čipu u obou typů pouzder pro jednotlivé úpravy DPS. Řešení tepelného managementu elektronických pouzder je nezbytnou součástí nejen návrhu elektronických pouzder, ale i celého systému, a to jak u výkonových aplikací, je samozřejmostí, tak také u celé řady složitějších obvodů, Literatura [1] Krishnamoorthi, S., Chong, Y. R., Sun, Y. S. Thermal Management and Characterization of Flip Chip BGA Packages. In Proc. of the 6th Electronics Packaging Technology Conference, Singapore, 2004, p [2] Lu, A. C. W., Xie, D. J., Shi, Z. F., Ryu, W. Electrical and Thermal Modelling of QFN Packages. In Proc. of the 3rd Electronics Packaging Technology Conference, USA, 2000, p [3] Soldering a QFN. Tools, Parts, Kits for DIY'ers - Curious Inventor [online] [cit. 23. dubna 2013]. < _Soldering/QFN/> [4] Processor In BGA Package Royalty Free Stock Photo, Pictures, Images And Stock Photography. Stock Photos and Royalty Free Image Subscription from 123RF Stock Photography [online] [cit. 23. dubna 2013]. < [5] Szendiuch, I. Základy technologie mikroelektronických obvodů a systémů. Brno: VUTIUM, stran. ISBN [6] Jamia, A. Practical Guide to the Packaging of Electronics-Thermal and Mechanical Design and Analysis. New York: Marcel Dekker, Inc., ISBN [7] Thermal Considerations for QFN Packaged Integrated Circuits. In: Analog and Digital Processing ICs, Semiconductor Company, Cirrus Logic: Cirrus Logic [online]. [cit. 28. dubna 2012]. < AN315REV1.pdf> [8] Matweb: Material Property Data [online] [cit. 29. července 2013]. <