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热仿真在芯片研发中的作用及热阻讲解

2月前浏览9249

本文摘要(由AI生成):

文章主要介绍了高度集成的芯片封装在现代社会智能化发展中的重要性,以及芯片封装过热问题的解决方法。高度集成的芯片封装可以完成各种工作,但在工作时芯片内部的热耗会急剧增大,导致芯片内部温度升高,因此芯片封装的过热问题必须得到良好的控制。工程师可以使用ANSYS Icepak对芯片封装内部的热流场进行CAE仿真计算,以便调控热流传递路径,更好地降低芯片Die的温度,提高其热可靠性。

随着现代社会的智能化发展,在人类生活的各个角落,无论是汽车电子还是人工智能,再或是AR、VR,以及其他新科技应用领域,半导体芯片都是智能化控制的最基础、最核心的部分。高度集成的封装及电路控制可以帮助人类完成各种各样的工作。

高度集成化的芯片封装

为满足智能化、微型化的需求,芯片被最大程度地封装集成,多个芯片(chip)或并列封装于一个Package中,形成SIP(System In a Package)系统级封装,或进行Stacked堆叠封装,形成堆栈裸片封装。

SIP系统级封装

Stacked Die堆栈封装示意图 

  众所周知,当电流流经导体时,必然会生成焦耳热,热量的不平均势必引起导体的热变形等不良现象,那么对于高度集成的芯片封装,在其工作时,芯片内部的热耗势必急剧增大,进而导致芯片内部温度升高,因此在芯片封装的研发过程中,芯片封装的过热问题必须得到良好的控制。

焦焦耳热引起的导体温升及热变形

正如华为总裁任正非2018年接受记者采访时讲到“我们把芯片叠起来,但最大的问题是要把两个芯片中间的热量散出来,这也是尖端技术,所以说,热学将是电子工业中最尖端的科学,这方面我们的研究也是领先的,就是太抽象了”,那么在芯片封装的研发过程中,工程师可以使用ANSYS Icepak对芯片封装内部的热流场进行CAE仿真计算,也可以和ANSYS其他模块一起,进行芯片封装的多物理场耦合模拟计算,以便调控热流传递路径,更好地降低芯片Die的温度,提高其热可靠性。下图为某芯片内部的热流密度及温度云图,可以看出,芯片内部的温度极其不均匀。

 ANSYS Icepak作为一款优异的电子热仿真软件,可以对芯片封装的各个尺度进行热流仿真计算,小到芯片内部0.25μm的沟道,大到cm厘米级别的封装、芯片,都可以对其进行有效精确的热流仿真计算。当前,在芯片封装的CAE热流计算中,主要是计算了芯片封装放置于JEDEC(美国联合电子设备工程协会)标准机箱内自然冷却、强迫对流情况下的热阻数值。芯片封装内的铜箔布线和过孔,是芯片热流最重要的传热路径,因此在对芯片进行详细的热流计算时,务必导入其布线过孔信息,以提高热仿真计算的精度。

封装的布线分布及精确的导热率云图

芯片封装热流计算常见的几种热阻分类如下:

芯片封装的Rja热阻,表示芯片的结点Junction与外界空气的热阻,单位为℃/W,一般由芯片制造商提供。Rja热阻数值的大小,通常被用来判断芯片散热性能的好坏。下图表示某个芯片的Rja热阻数值(包括自然冷却和强迫风冷)。

某芯片封装的Rja数值

Rja热阻通常包括两种,一种为将芯片放置于JEDEC标准的密闭测试机箱中,芯片通过自然冷却进行散热,即外侧风速为0,计算芯片封装的Rja;另一种为将芯片放置于JEDEC标准的风洞中,通过外界的强迫风冷对芯片进行散热,需要计算不同风速下的芯片Rja热阻,其中风洞垂直距离h应该大于测试电路板流向长度L的2倍,即h>2L。

封装Rja热阻(自然冷却)模型示意图

封装Rja热阻(强迫风冷)模型示意图

芯片Rja热阻的计算公式如下所示:

Rja表示芯片结点Junction至环境空气的热阻,℃/W;

Tj表示芯片Die的最高温度,℃;

Ta表示环境的空气温度,℃;

P表示芯片Die的热耗,W;Tj、Ta测量点示意图如下图所示。

Tj、Ta测量点示意图

进行Rja计算时,芯片务必放置于电路板上,当芯片封装的尺寸小于27mm时,测试电路板的尺寸如下左图所示;当芯片封装尺寸大于等于27mm时,测试电路板的尺寸如下右图所示。

芯片封装的Rjc热阻,表示芯片封装的结点Die至芯片管壳Case顶部的热阻。将芯片封装放置于四周绝热的环境中,芯片封装仅仅通过管壳的顶部与外接环境进行换热,恒定的换热系数为25w/k.m2。Rjc测试的示意图如下图所示。

Rjc热阻测试示意图

Rjc的计算公式为:

Tj表示芯片Die的最高温度,℃;

Tc表示芯片管壳Case的最高温度,℃;

P表示芯片Die的热耗,W。

芯片封装的Rjb热阻,表示芯片封装的结点Die至电路板Board的热阻,其真实的测试示意图下图所示。芯片封装放置于Pcb电路板上,电路板长、宽方向的尺寸均大于芯片封装5mm,将芯片和电路板放置于密闭的空间内,电路板四周的面处于恒定的温度,芯片封装的热量只能通过电路板传导至电路板四周恒温的壁面。

Rjb热阻测试示意图

芯片封装Rjb的计算公式为:

Tj表示芯片Die的最高温度,℃;

Tb表示电路板board的温度,℃;

P表示芯片Die的热耗,W。

因此,使用ANSYS Icepak可以精确地计算芯片封装内部的热流分布,计算不同工况下的热阻数值,方便工程师洞悉芯片内部的热流路径,以进一步改善芯片的热流环境,提高其热可靠性。 

Icepak流体基础换热散热通用电力电子
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首次发布时间:2019-04-08
最近编辑:2月前
王永康
硕士 | 产品经理 热设计热仿真计算
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2条评论
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3年前
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小姜
努力学习有限元仿真。
4年前
学习一下
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