超级计算机子系统的热管理与无线传感网3D-MCM的设计制造及热机械可靠性研究

对国内超级计算机子系统进行了散热分析和设计优化并完成了无线传感网用三维多芯片组件的设计制造及其热机械可靠性研究。 超级计算机散热分析方面：利用计算流体力学(CFD)软件模拟了内含128个发热芯片的超级计算机子系统—机箱中的热流场，并对机箱的多个参数的影响分别进行了研究和优化。采用正交试验方法对各个影响因素的显著性进行了分析。样机的测试结果验证了建模的合理性和优化的正确性。采用全面试验设计法对平行板散热器的齿厚、齿间距及材料进行了研究，建立了散热器热阻模型，揭示了机箱温度对散热器齿间距和齿厚的关系曲线是散热器传导热阻和对流热阻共同作用的结果。对散热器的判据公式比奥准则的局限性进行了分析和修正。最后总结出了超级计算机中平行板散热器的散热经验公式。 无线传感网用3D-MCM方面：融合了FCOB、COB、BGA等封装技术，通过倒装焊和引线键合互连技术在埋置式多层有机基板上实现塑封BGA器件和基带裸芯片的混载集成，从而实现一种面向客户定制的实用型3D-MCM。对组件结构的热设计和评估结果表明该结构从散热可靠性角度可行。组件面积为原2D封装面积的30％，组装效率达到70％。功能测试结果表明，组件的电学功能与原2D电路一致。研究了有源元件埋置于有机基板的实用技术，并开发了一体化复合基板和二体式复合基板。对封装中的多次回流等工艺难点提出了解决方案。热循环试验表明，3D-MCM具有大于1500个热循环周期的疲劳寿命，从而具有很高的热机械可靠性。 采用有限元分析方法进行3D-MCM的热循环模拟，研究3D-MCM裸芯片和焊点的应力应变规律，并预测焊点疲劳寿命。采用试验设计和响应面法，以焊点的塑性功密度为响应函数分析了焊点的结构参数和材料属性对焊点疲劳寿命影响。 最后，结合线弹性和粘塑性以及大形变理论模型，对3D-MCM的翘曲形态特征及其成因进行了理论分析，认为基板腔室的设计使基板形成了双弓形翘曲形态，并使无底充胶的3D-MCM的翘曲温度曲线形成拐点；基板中心空腔能改变基板翘曲形态，并有利于减小基板翘曲。同时认为底充胶的适当使用可以加强器件和基板的互连，降低组件的翘曲度。但如果其CTE过大，可能会引发其它失效模式。数值分析结果与云纹干涉试验结果相符较好，证明了建模方法的有效性以及翘曲预测的准确性。