半導体パッケージのジャンクション熱抵抗測定

本例題について

• 半導体パッケージの熱抵抗θja、θjc、θjb、および熱パラメータΨjt、Ψjbの測定例を示します。
  半導体パッケージの熱抵抗については「熱伝導解析で出力される計算値（テーブル）」を参照してください。

• 一つ目のモデルでは、自然対流環境を模擬したモデルによりジャンクション-環境熱抵抗θja、熱パラメータΨjt、Ψjbを出力します。

• 二つ目のモデルでは、パッケージ表面を通してのみ放熱するモデルによりジャンクション-パッケージ表面間熱抵抗θjcを出力します。

• 三つ目のモデルでは、基板を通してのみ放熱するモデルによりジャンクション-基板間熱抵抗θjbを出力します。

• 表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。

解析条件

モデル図

半導体パッケージモデル

シリコンチップ、ジャンクション、インターポーザ、モールド樹脂、はんだからなる、BGAタイプの35mm□半導体パッケージのモデルを作成しています。

ジャンクションをチップ上面にシートボディで作成し、発熱量を与えています。

インターポーザは、４層の配線層と３層の絶縁層から構成されます。

はんだ部は、本来、数100個のバンプで基板と接続しますが、ここでは計算時間の短縮のため、
はんだが存在する領域（周囲部と中央部）の二つをモデル化し、材料定数として等価な異方性熱伝導率を与えています。

シリコンチップ、ジャンクション、インターポーザ、モールド樹脂部のメッシュサイズを1.0とします。

はんだ部のメッシュサイズは、標準メッシュサイズとして設定した5.0となります。

測定基板モデル

４層の配線層と３層の絶縁層から構成される、４層基板モデル（101.6mmx114.3mmx1.6mm）を作成しています。

JEDEC規格に準拠した寸法でモデル化しています。

測定基板のメッシュサイズは、標準メッシュサイズとして設定した5.0となります。

モデル１、モデル３で使用します。

モデル１

測定基板モデルに半導体パッケージモデルを載せたモデルを使用します。

さらに、Ψjt、Ψjb測定する箇所（天面中央と基板から1mm離れた位置）に点ボディを配置し、「測定端子」境界条件を設定しています。

JEDEC規格による測定環境では、密閉容器内での自然対流環境となっていますが、
ここでは容器を無視して、外部境界条件として、「放熱・環境輻射」の自然対流自動計算と環境輻射を設定します。

モデル２

半導体パッケージモデルを使用します。

JEDEC規格による測定環境（コールドプレートを天面に当てた状態）を再現するため、
半導体パッケージモデルの天面に「温度」境界条件を設定します。

さらに、θjc測定する箇所（天面中央）に点ボディを配置し、「測定端子」境界条件を設定しています。

外部境界条件は、初期設定の「断熱」とします。

モデル３

測定基板モデルに半導体パッケージモデルを載せたモデルを使用します。
JEDEC規格による測定環境（コールドプレートで基板を挟んだ状態）を再現するため、
コールドプレートの接触する部分をシートボディでモデル化し、
「温度」境界条件を設定しています。
さらに、θjb測定する箇所（基板から1mm離れた位置）に点ボディを配置し、「測定端子」境界条件を設定しています。

ボディ属性および材料の設定

モデル１のボディ属性、材料設定

※１　材料データベースを利用

※２　境界条件を付与するための転写用ボディ

モデル２のボディ属性、材料設定

※１　材料データベースを利用

※２　境界条件を付与するための転写用ボディ

モデル３のボディ属性、材料設定

※１　材料データベースを利用

※２　境界条件を付与するための転写用ボディ

JUNCTIONのボディに発熱量と厚みを与えます(モデル１～モデル３共通)。

材料データベースを使用しない材料には以下の材料定数を設定します(モデル１～モデル３共通)。

※１　国峰尚樹著「 エレクトロニクスのための熱設計完全入門」p19

※２　横掘勉、堀野直治著「電子機器設計者のための放熱技術入門」p111

※３　以下の方法で等価熱伝導率を設定しています。

方向１、２（面方向）は熱伝導が空気により遮られるため、材料データベース「000_空気」の値0.0293[W/m/deg]を設定しています。

方向３（高さ方向）は、材料データベース「107_鉛フリーはんだ_SnAgCu」の値にモデル化したはんだ層の面積に対して
実際のはんだバンプが占める割合をかけた値を設定します。

実際のはんだバンプの端子間隔1[mm]、バンプ半径0.35[mm]として、

バンプ面積/１つのバンプを囲む長方形の面積の比 =  π x 0.35 x 0.35 /( 1 x 1 ) = 0.384845

高さ方向の熱伝導率 = 64 x 0.384845 = 24.81 [W/m/deg]

境界条件

モデル１では、測定端子の境界条件と外部境界条件で自然対流、環境輻射を設定します。

モデル２では、温度境界条件を設定します。外部境界条件はモデル１とは異なり、断熱とします。

モデル２では、温度境界条件と測定端子の境界条件を設定します。外部境界条件はモデル１とは異なり、断熱とします。

※1 プリント配線板の値を使用　国峰尚樹著「 エレクトロニクスのための熱設計完全入門」p37

解析結果

モデル１のテーブル出力[ジャンクション熱抵抗]の結果を示します。

これより、

ジャンクション-環境間熱抵抗θa = 12.312 [deg/W]

熱パラメータΨjt = 0.387 [deg/W]

熱パラメータΨjb = 6.916 [deg/W]

となることが確認できます。

モデル２のテーブル出力[ジャンクション熱抵抗]の結果を示します。

これより、

ジャンクション-パッケージ表面間熱抵抗θjc = 4.892 [deg/W]

となることが確認できます。

モデル３のテーブル出力[ジャンクション熱抵抗]の結果を示します。

これより、

ジャンクション-基板間熱抵抗θjb = 7.258 [deg/W]

となることが確認できます。