芯片雙熱阻封裝的簡單強制對流換熱問題仿真分析

手機、電腦、智能家電等智能化設(shè)備都離不開芯片，隨著人們對智能化設(shè)備的功能要求越來越多樣化，芯片不斷朝著小尺寸、多功能、高密度、高功耗的方向發(fā)展，隨之而來的是越來越嚴重的發(fā)熱問題。芯片過熱會導(dǎo)致其性能下降，壽命縮短，造成不可逆損壞，這已經(jīng)成為制約半導(dǎo)體發(fā)展的主要因素。

芯片在出廠前首先要對其進行封裝，封裝是為了實現(xiàn)半導(dǎo)體芯片與外界交換信號并保護其免受各種外部因素影響。為了確保芯片能夠穩(wěn)定工作并延長使用壽命，工程師需要在芯片封裝前進行熱仿真分析。芯片熱仿真分析能夠在樣品和產(chǎn)品開始生產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)熱問題，指導(dǎo)設(shè)計優(yōu)化，以保證芯片工作時的溫度不超過其最大結(jié)點溫度，從而減少打樣試錯次數(shù)，節(jié)約時間和成本，縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

現(xiàn)階段，各類電子設(shè)備普遍采用強制空氣對流的方式來冷卻發(fā)熱器件，即通過在芯片上加裝散熱器將芯片散發(fā)的熱量傳遞到散熱片上，并加裝風(fēng)機等設(shè)備增強空氣循環(huán)，將散熱器上的熱量帶走。

對于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結(jié)到環(huán)境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結(jié)到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結(jié)到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。其中Rja與器件所處的環(huán)境有關(guān)，且器件規(guī)格書中的規(guī)定值一般為生產(chǎn)商基于標準環(huán)境測試，而往往實際應(yīng)用環(huán)境和標準測試環(huán)境差別較大，Rja很難應(yīng)用于芯片結(jié)溫預(yù)計，更多的應(yīng)用于定性對比不同封裝芯片的散熱能力。因此，在實際應(yīng)用時，更多的采用結(jié)殼熱阻Rjc和結(jié)板熱阻Rjb評價器件的散熱能力，由此便產(chǎn)生了雙熱阻模型。

在建立雙熱阻模型時一般做如下假設(shè)：

①結(jié)點熱量僅存在兩條散熱途徑：通過上表面?zhèn)鬟f到空氣中或散熱器上，通過下表面?zhèn)鬟f到PCB板上；

②上下表面為等溫面，不發(fā)生熱量傳遞；

③結(jié)點熱量不通過側(cè)面?zhèn)鬟f。

下面就來介紹一下如何使用云道智造“電子散熱模塊”進行“基于雙熱阻模型的芯片封裝中簡單強制對流換熱”仿真分析。

“芯片雙熱阻封裝的簡單強制對流換熱問題”仿真分析

1 模擬條件

本算例中建立了包括1個機箱、1個PCB 板、1個雙熱阻封裝、1個軸流風(fēng)扇、1個散熱器的簡單強迫對流換熱模型，目的在于雙熱阻封裝模塊的應(yīng)用，便于熟悉雙熱阻封裝模塊的設(shè)置。穩(wěn)態(tài)計算，不考慮輻射。軸流風(fēng)扇固定流量為 2CFM，垂直出風(fēng)。

考慮流熱耦合問題；

雙熱阻封裝模塊中，中心節(jié)點功耗為 3W；

環(huán)境溫度為 30°C。

2 幾何模型

利用軟件自帶的智能模塊，快速建立所需幾何模型。

雙熱阻封裝算例幾何模型

雙熱阻封裝算例模型樹

3 仿真分析

3.1 網(wǎng)格剖分

本次采用默認Region-based網(wǎng)格劃分方式；

調(diào)整全局網(wǎng)格和局部網(wǎng)格設(shè)置；

全局網(wǎng)格設(shè)置

該案例中主要對重要器件進行局部網(wǎng)格設(shè)置，平面方向主要控制最大尺寸，厚度方向則是設(shè)置最小網(wǎng)格數(shù)，如芯片、板卡等。

局部網(wǎng)格設(shè)置

選擇【網(wǎng)格剖分】菜單下的【笛卡爾網(wǎng)格】，點擊進行網(wǎng)格剖分；

網(wǎng)格剖分完成后，選擇【載入網(wǎng)格】，可在【檢查網(wǎng)格】窗口中查看網(wǎng)格質(zhì)量。

本次模型利用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格剖分，長寬比33.3，非正交網(wǎng)格大于70的面?zhèn)€數(shù)為零，畸形度大于4的面?zhèn)€數(shù)為零，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足流熱耦合計算要求，如下圖所示。

3.2 模型與求解設(shè)置

電路板與雙熱阻封裝的屬性設(shè)置

求解設(shè)置

3.3 計算結(jié)果

本分析類型為穩(wěn)態(tài)、流熱耦合計算。后處理結(jié)果可以通過云圖、流線圖、切片以及表格統(tǒng)計的形式進行直觀展示，同時使用方可以根據(jù)這些結(jié)果對產(chǎn)品的熱設(shè)計進行相關(guān)評估，后處理結(jié)果如下圖所示：

溫度云圖、流線圖

Z方向切片溫度云圖、流線圖

Y方向切片溫度云圖、流線圖

雙熱阻封裝計算結(jié)果統(tǒng)計

電路板計算結(jié)果統(tǒng)計

本案例采用導(dǎo)熱+對流的形式進行散熱，芯片的熱量分別通過散熱片和電路板進行導(dǎo)熱，而后風(fēng)扇把散熱齒片和電路板上的熱量通過對流方式帶走。通過以上溫度云圖、流線圖以及統(tǒng)計表格可以得知，在30℃環(huán)境溫度下，主芯片殼溫溫升11.37℃，最終溫度達到41.37℃；結(jié)溫溫升為21.6℃，最終溫度達到51.6℃。結(jié)溫溫度明顯低于規(guī)格書要求的最高結(jié)溫不超過85℃的要求，說明本案例的散熱設(shè)計方案滿足散熱要求，能夠保障芯片穩(wěn)定可靠的工作。

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

審核編輯：湯梓紅