CC BY
7УДК 621.3.049.76: 621.396.6
Конструктивная прочность и тепловой режим многокристальных модулей
А.И. Погалов, Г.А. Блинов, Е.Ю. Чугунов
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Москва, Россия
Structural Strength and Thermal Behavior of Multichip Modules
A.I. Pogalov, G.A. Blinov, E.Y. Chugunov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
Изложены общие принципы проектирования многокристальных модулей в трехмерном исполнении. Проведено моделирование многокристальных модулей и исследовано влияние конструктивных параметров на прочность и тепловой режим изделий. Определены величины термомеханических напряжений, тепловых сопротивлений и температур перегрева материалов, а также установлена эффективность теплоотвода в различных конструктивных исполнениях трехмерных модулей. Разработаны способы обеспечения интенсивной теплопередачи в конструкциях модулей и повышения прочностной надежности изделий. Даны рекомендации по проектированию многокристальных модулей.
Ключевые слова: многокристальный модуль; конструктивная прочность изделий; тепловой режим трехмерных модулей; напряженно-деформированное состояние материалов; метод конечных элементов.
The general principles of design of the three-dimensional multichip modules have been presented. The modeling of the multichip modules has been performed and the influence of the structural parameters on the strength and on the thermal behavior of the products has been determined. The values of the thermomechanical stresses, heat resistance and temperatures of overheating of the materials have been determined. The efficiency of heat removal in various designs of three-dimensional modules has been established. The methods to provide the intense heat in the constructions of the modules and the high strength product reliability have been developed. The recommendations for designing the multichip modules have been given.
Keywords: multichip module; structural strength of products; thermal behavior of the three-dimensional modules; stress-strain state of materials; finite-element method.
Введение. Основными требованиями к конструкции современных микроэлектронных приборов являются повышение функциональной сложности, снижение массогабаритных характеристик изделий, увеличение их надежности и конструктивной прочности. Одно из перспективных направлений микроэлектроники, обеспечивающее выполнение этих требований, - разработка многокристальных модулей (МКМ) в трехмерном исполнении [1, 2].
© А.И. Погалов, Г.А. Блинов, Е.Ю. Чугунов, 2017
Существуют различные конструктивно-технологические способы изготовления трехмерных МКМ с высокой степенью интеграции. В настоящей работе рассматривается способ, основанный на принципах сверхплотного монтажа многовыводных микросхем в бескорпусном исполнении на полиимидные коммутационные платы и объемной сборки трехмерных МКМ стапелированием кристаллов один над другим с фиксацией клеевыми герметизирующими материалами. Монтаж изготовленных трехмерных МКМ, как правило, производится на диэлектрические или металлодиэлектрические основания, которые выполняют также функцию теплоотвода [3].
Конструкции модулей. Современный подход к проектированию многослойных композиционных конструкций, таких как трехмерные МКМ, требует применения численных методов, основанных на дискретной обработке данных, и компьютерно-интегрированного моделирования. В проводимых исследованиях используется программно-вычислительный комплекс, который основан на методе конечных элементов и применяется для расчетов и моделирования сложных конструкций [1, 4, 5].
С целью обоснованного выбора конструктивных параметров и анализа их влияния на механическую прочность и надежность конструкций МКМ определены тепловой режим модулей, напряженно-деформированное состояние (НДС) материалов и проведена оценка эффективности разработанных конструктивных вариантов отвода тепла, выделяемого кристаллами. Для этого разработаны девять вариантов модели трехмерного МКМ с конечно-элементной дискретизацией, различающихся по конструктивным
параметрам и сочетанию материалов. Конструкция четырехкристального модуля в трехмерном исполнении показана на рис.1. Геометрические размеры моделей 10x10 мм в плане. Физико-механические и теплофизиче-ские свойства используемых материалов приведены в табл.1 [1, 2, 4, 6]. Тепловые эффекты внутри каждого МКМ характеризуются мощностью тепловыделения 10 Вт. Полученные в результате моделирования МКМ значения максимальной температуры в материале Ттах, напряжения в центре слоя материала о, максимального напряжения отах для четырех вариантов модели представлены в табл.2.
Таблица 1
Физико-механические и теплофизические свойства материалов МКМ
Материал Модуль упругости Е, МПа Коэффициент Пуассона Ц ТКЛР а, 106, оС-1 Допускаемые напряжения [о], МПа Теплопроводность X, Вт/(мК) Теплоемкость С, Дж/(кгК)
Сплав АМг 7104 0,33 24 200 180 900
Кремний 1,3105 0,3 4,2 200 100 650
Медь 1,2105 0,35 16,5 100 300 370
Алюминий 7104 0,33 22 150 240 860
Клей-герметик 2 0,4 230 3 1,8 400
Полиимид 3103 0,3 20 175 0,3 1140
Алмаз 5105 0,3 1,0 500 1500 -
Рис.1. Конструкция четырехкристального модуля в трехмерном исполнении: 1 - основание из АМг сплава; 2 - теплопроводящий клей; 3 - полиимидная плата; 4 - кремниевый кристалл; 5 - алюминиевые выводы
ю
Результаты моделирования МКМ для четырех вариантов моделей
Таблица 2
Материал МКМ Толщина слоя, МКМ Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4
Т 1 шзх? "С о, МПа отах, МПа Т I шах, "С о, МПа сттах, МПа 1 11:14, "С о, МПа Отах, МПа ■ тах, "С о, МПа Отах, МПа
Основание 1000 21 3,0 5,3 22 12 14,9 21,9 2,1 3,4 21 3,5 16,7
Полиимид 50 50 1,2 2,9 55,6 5,1 6,8 32,4 0,2 2 52,4 1,7 2,7
Клей 50 55 0,2 0,4 94 0,3 1,0 42,7 0,1 0,3 57,6 0,1 0,5
Полиимид 50 85 1,0 6,0 133 7 13,5 53 0,7 4,1 89 3,4 6,4
Кремний 300 85,2 25 86 167 37 196 53,8 9,1 55,7 89,3 16 85,6
Алюминий 30 85,2 55 128 168 250 289 53,9 22 89,4 89,4 118 141
Клей 50 87,3 0,1 0,2 172 0,3 0,7 59 0,05 0,1 91,8 0,1 0,3
Полиимид 50 100,1 5 8,6 201 12 21 64,1 0,2 6,0 106,5 5,3 9,3
Кремний 300 100,2 20 106 226 56 274 64,4 14,4 69 106,5 22 106
Алюминий 30 100,2 67 157 227 360 405 64,4 72 110 106,6 146 175
Клей 50 99,5 0,05 ол 229 0,1 0,5 64 0,05 0,1 106,3 0,1 0,2
Полиимид 50 95,6 5,4 9,0 249 17 26,5 63,6 0,9 6,4 104,5 6 10
Кремний 300 95,4 20 100 266 66 326 63,3 14 66 104,3 22,6 103
Алюминий 30 95,4 63 149 266 411 482 63,3 70 106 104,3 140 170
Клей 50 92 0,1 0,2 266 0,1 0,3 57,7 0,1 0,2 101,3 0,05 0,1
Полиимид 50 71,4 4,4 7,2 269 17,2 30 52,1 1,4 5,2 83,2 5,1 8,4
Кремний 300 71 14,7 67,5 286 68 351 51,3 11 46 82,9 18 90
Алюминий 30 71 84 99,4 286 450 522 51,1 50 74 82,7 103 120
Клей 50 64,7 0,1 0,2 286 0,5 1,2 41,5 0,1 0,2 77,3 0,1 0,2
Полиимид 50 27,4 0,9 2,7 286 3,6 4,3 31,4 0,8 2,4 44,6 1,2 2,5
Клей 50 21,2 0,1 0,2 286 0,05 0,1 21,9 0,1 0,2 39,1 0,1 0,2
Крышка 1000 21 2,4 з,з 286 14 14,2 21,8 2,2 2,7 38,9 5 14
С4
05 ТО ТО
2
0 05
1
а §
£
£
Ьо Ьо
Ьо о
£
I
О 05
ь
£
я я о
05
Сч $
$
я о
05
Моделирование теплового режима и прочности МКМ. При моделировании эффектов теплопередачи в материалах модулей перенос тепла обеспечивается теплопроводностью (кондуктивным теплообменом). Предполагается также полная определенность закрепления, геометрических размеров, формы и свойств конструкционных материалов.
В базовом варианте 1 сток тепла от кристаллов модуля осуществляется на основание и крышку, которые изготовлены из алюминиево-магниевого (АМг) сплава. Температура основания и крышки постоянна и равна 20 оС. Согласно результатам исследований тепловой режим и НДС материалов МКМ при нагреве определяются толщиной и теплофизическими свойствами материалов. Так, полное тепловое сопротивление К.? всей конструкции модуля, включающей 22 слоя разнородных материалов, составляет 4 К/Вт. При этом тепловое сопротивление полиимида толщиной 50 мкм равно 1,66 К/Вт, что в 55 раз превышает сопротивление кремния толщиной 300 мкм (0,03 К/Вт). Вследствие этого наибольшая температура перегрева в модуле (80,2 оС) достигается в материалах, расположенных в центре многослойной конструкции, и сток тепла от которых блокирован полиимидом. В этих же материалах в результате температурных деформаций возникают максимальные напряжения: в кремниевом кристалле напряжение достигает 106 МПа, в алюминиевых выводах кристалла напряжения возрастают до 157 МПа при температуре нагрева 100,2 оС.
Проведенные ранее исследования показали, что введение в конструкцию МКМ даже одного дополнительного слоя полиимида обусловливает повышение температуры нагрева материалов до 17 оС и увеличение максимальных напряжений до 40 % [5, 7, 8]. Введение дополнительного клеевого слоя характеризуется повышением температуры нагрева материалов не более чем на 3 оС и увеличением максимальных напряжений на 4-5 %. Замена охлаждаемой крышки на радиатор с пассивным охлаждением из АМг сплава при постоянной температуре основания 20 оС повышает максимальную температуру нагрева материалов почти в 3 раза (с 100,2 до 286 оС) и значительно увеличивает максимальные напряжения, превышающие в некоторых материалах допустимые значения (вариант 2). Полное тепловое сопротивление конструкции модуля повышается до 6,7 К/Вт.
Формирование в слоях полиимида сквозных окон 5x5 мм, заполненных клеевым материалом (вариант 3), позволяет уменьшить максимальную температуру перегрева материалов модуля с 80,2 до 44,4 оС и снизить максимальные напряжения в кремнии с 106 до 69 МПа, в алюминии - с 157 до 110 МПа. При этом полное тепловое сопротивление конструкции модуля уменьшается до 2,2 К/Вт. Применение корпуса для сборки и монтажа МКМ (вариант 4) показывает достаточную эффективность для стока тепла от кристаллов по сравнению с вариантом 2. В исследуемой модели основание и крышка из АМг сплава соединены по периметру стенками из того же материала толщиной 1 мм с воздушными зазорами 0,5 мм между стенками и модулем. Установлено, что наибольшая температура нагрева материалов составляет 106,6 оС (температура перегрева кристалла 86,6 оС), максимальные напряжения в кремниевом кристалле не превышают 106 МПа, в алюминиевых выводах кристалла - 175 МПа. Полное тепловое сопротивление конструкции модуля уменьшается до 2,8 К/Вт.
При замене в варианте 1 основания из АМг сплава на алмазное толщиной 1 мм коэффициент теплопроводности основания увеличивается в 8,3 раза (с 180 до 1500 Вт/(мК)) и, соответственно, уменьшается его тепловое сопротивление с 0,055 до 0,0067 К/Вт. Однако это не обеспечивает пропорционального снижения температуры и напряжений в материа-
лах модуля. Снижение максимальных температур и напряжений по сравнению с базовым вариантом составляет не более 1 %.
В результате проведенных исследований НДС материалов в изученных конструкциях модулей установлено, что распределение напряжений в основании имеет вид од-номодовой выпуклой кривой с максимумом в центре. Эпюра напряжений в остальных материалах модуля имеет вид двухмодовой вогнутой кривой с максимумом на краях соединений. Это может оказывать существенное влияние на конструктивную прочность МКМ вследствие температурных напряжений и возникновения деформаций, особенно в местах сопряжения разнородных материалов. При напряжениях и деформациях, близких к пределу упругости материалов, в них могут возникать пластические деформации, а в случае напряжений, близких к пределу прочности материалов, в них могут образовываться трещины, что приводит к нарушению целостности конструкций модулей.
Способы эффективного теплоотвода. Для улучшения передачи тепла от теплона-груженных кристаллов к более холодным материалам модулей с меньшей теплоемкостью разработаны и изучены дополнительные конструктивные способы уменьшения тепловых сопротивлений слоев с низкой теплопроводностью. Это позволяет перераспределить и снизить температуру в элементах конструкции МКМ и повысить прочность и надежность изделий. Гистограмма эффективности применения некоторых вариантов теплоотвода приведена на рис.2.
Конструктивный вариант модели
Рис.2. Гистограмма эффективности обеспечения теплоотвода в МКМ для различных вариантов модели (Ят - полное тепловое сопротивление конструкции)
Разработана конструкция МКМ со встроенным плоским теплоотводом, выполненным в виде алюминиевой (вариант 5) или медной (вариант 6) шины, закрепленной с помощью теплопроводящего клея на основании под трехмерным модулем с одной стороны и между вторым и третьим кристаллами внутри модуля с другой стороны [3]. Использование теплоотводов значительно снижает нагрев и напряжения материалов. Применение алюминиевой шины может быть экономически обосновано, однако менее эффективно ввиду меньшей теплопроводности материала по сравнению с медью. Это приводит к повышению теплового сопротивления конструкции на 0,2 К/Вт
(с 3,2 до 3,4 К/Вт), максимальной температуры на 9 оС (с 148 до 157 оС) и напряжения на 9 МПа (с 290 до 299 МПа).
Уменьшение толщины полиимидных слоев с 50 до 25 мкм для конструкции МКМ со встроенным медным теплоотводом (вариант 7) приводит к снижению теплового сопротивления до 2,2 К/Вт, максимальной температуры до 110 оС и напряжения до 204 МПа.
Формирование в полиимидных слоях сквозных окон размером 7*7 мм, которые заполняются теплопроводящим клеевым материалом одновременно со сборкой трехмерного модуля (вариант 8), обеспечивает снижение теплового сопротивления до 2,1 К/Вт, максимальной температуры до 103 оС и напряжения до 166 МПа.
Наибольшее снижение теплового сопротивления до 1,4 К/Вт обеспечивается комплексным конструктивным решением при одновременном уменьшении толщины поли-имидных слоев до 25 мкм и использовании в них сквозных окон размером 7*7 мм (вариант 9). В этом случае максимальная температура нагрева материалов составляет 97 оС, а напряжение снижается до 109 МПа. Однако применение этого конструктивного варианта ограничивается тем, что использование тонких полиимидных пленок для гибких коммутационных плат МКМ может приводить к их механическому повреждению при сборке трехмерной структуры или в результате различных воздействий при эксплуатации изделий.
Заключение. Прочность конструкций и нормальное функционирование МКМ возможно при поддержании температуры материалов в определенных пределах. Изменение теплового режима оказывает существенное влияние на характеристики изделий и может приводить к отказам при эксплуатации. Для обеспечения эксплуатационной надежности необходим инженерный расчет тепловых режимов и рациональный выбор конструктивных параметров модулей.
Исследования эффективности разработанных способов обеспечения интенсивной теплопередачи в конструкциях модулей и прочностной надежности изделий показали следующее. Наилучшие результаты достигаются при использовании в конструкциях трехмерных МКМ плоских теплоотводов, выполненных в виде медных шин, и поли-имидных пленок толщиной 25 мкм со сформированными в них сквозными окнами, которые при сборке заполняются теплопроводящим клеевым материалом. Эти конструктивные решения могут быть рекомендованы к применению при проектировании теплонагруженных модулей и позволяют уменьшать тепловое сопротивление до 4,8 раз, обеспечивая надежное функционирование изделий.
Литература
1. Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1986. - 176 с.
2. Грушевский А.М. Сборка и монтаж многокристальных микромодулей: уч. пособие / Под ред. Л.А. Коледова. - М.: МИЭТ, 2003. - 196 с.
3. Погалов А.И., Блинов Г.А., Чугунов Е.Ю. Теплофизические расчеты и конструирование многослойных структур микроэлектронных приборов // Конструкции из композиционных материалов. -
2012. - № 4. - С. 3-7.
4. Кузнецов О.А., Погалов А.И., Сергеев В.С. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1990. - 144 с.
5. Погалов А. И., Блинов Г.А., Чугунов Е.Ю. Тепловой режим функциональных многокристальных модулей в трехмерном исполнении // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. -
2013. - № 1. - С. 77-82.
6. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учеб. для вузов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 592 с.
7. Погалов А. И., Блинов Г.А., Чугунов Е.Ю. Моделирование термопрочности многокристальных микромодулей // Изв. вузов. Электроника. - 2010. - № 5. - С. 73-75.
8. Погалов А.И., Блинов Г.А., Чугунов Е.Ю. Напряженно-деформированное состояние и тепловой режим многослойных клеевых соединений многокристальных микромодулей // Конструкции из композиционных материалов. - 2013. - № 2. - С. 18-22.
Статья поступила 1 апреля 2016 г.
Погалов Анатолий Иванович - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой технической механики МИЭТ. Область научных интересов: механика материалов и конструкций микроприборов.
Блинов Геннадий Андреевич - доктор технических наук, профессор кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: твердотельная электроника, технология сборки и монтажа микросхем.
Чугунов Евгений Юрьевич - аспирант кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: конструирование и технологии микроэлектронных средств и аппаратуры. E-mail: Chugunov-EU@inbox.ru
\ Уважаемые авторы и читатели!
г=йх— ■= Вышел в свет журнал
SEMICONDUCTORS SEMICONDUCTORS
гяяг Vol. 50, АПЗ, 2016. - ISSN: 1063-7826
PLEIADES PUBLISHING Distributed by Springer http://pleiades.online http://link.springer.com
ч_ j
