各位粉絲朋友久等啦!第二期的“仿真101”終于千呼萬喚始出來,第二節(jié)課我們來到了芯片的另一個(gè)重要特性——熱學(xué)。在不同的封裝下,芯片的熱表現(xiàn)也截然不同,這也決定了最后我們設(shè)計(jì)的芯片究竟該采用什么封裝。
接下來,納微經(jīng)驗(yàn)豐富的專家們,將用仿真模擬和快插板驗(yàn)證的方式,為大家深入淺出地剖析不同封裝下的熱表現(xiàn)。
老規(guī)矩,先上省流助手:
重點(diǎn)結(jié)論先看
1. 封裝的exposed pad面積越大,在相同散熱方案下的系統(tǒng)熱阻一般會(huì)越低(前提是exposed pad厚度沒有太大的差異),這種現(xiàn)象對(duì)于器件與冷板間缺乏良好熱擴(kuò)散的方案而言尤為顯著;
2. 流道特征變化時(shí),系統(tǒng)熱阻的變化主要來自流道熱阻的變化,直接替換疊層熱阻中的流道熱阻可以作為一個(gè)有效的快速的系統(tǒng)熱阻預(yù)測手段;
3. 器件的功耗大小對(duì)系統(tǒng)熱阻無明顯影響;
4. 熱源數(shù)量的增加會(huì)顯著影響系統(tǒng)熱阻的大小。
01
什么是半導(dǎo)體器件的Rjc?
首先,我們要明白一個(gè)概念——熱阻:是指當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí),物體兩端的溫差與功率之間的比值。半導(dǎo)體器件的Rjc,即器件的結(jié)到封裝case面的熱阻。實(shí)際器件的封裝會(huì)有多個(gè)與空氣或其他部件接觸的case面,對(duì)于每一個(gè)case面都有對(duì)應(yīng)的Rjc。但是與電路相似,器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量,主要會(huì)從Rjc最小的那個(gè)case面流出,因此半導(dǎo)體廠商一般僅會(huì)在datasheet中列出主要散熱case面的Rjc。Rjc越大的器件,在相同條件一下一般結(jié)溫也會(huì)更高,因此Rjc常被用于表征器件的溫升難易程度。
以采用TO247封裝的納微半導(dǎo)體的GeneSiC MOSFET為例,其主要散熱面為底部金屬面:
圖1TO247散熱面主要為金屬面
02
什么是Rj-coolant?
Rj-coolant,即器件的結(jié)到冷卻介質(zhì)輸入端的熱阻(液冷系統(tǒng))或者結(jié)到環(huán)境的熱阻(風(fēng)冷系統(tǒng)),也稱系統(tǒng)熱阻。從定義上來看, 系統(tǒng)熱阻Rj-coolant與結(jié)殼熱阻Rjc非常相似,但是從值的唯一性上來說,兩者又非常截然不同。Rjc受到環(huán)境的影響較小,它的值在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用場景中都能維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。而Rj-coolant則不同,器件所處的位置、環(huán)境溫度、散熱方案、流道特征、冷卻介質(zhì)流量等多種因素都會(huì)大大的影響其值的大小。
因此Rj-coolant實(shí)際上是半導(dǎo)體器件在特定散熱系統(tǒng)中的系統(tǒng)熱阻。如果參照電路系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的散熱過程進(jìn)行簡化,則溫度差對(duì)應(yīng)電壓,熱流(熱耗)對(duì)應(yīng)電流,熱阻對(duì)應(yīng)電阻,此時(shí)系統(tǒng)熱阻Rj-coolant可以被視為傳熱路徑上各個(gè)部件熱阻的串聯(lián)疊加,這種簡化方式則稱作熱路法。
圖2 TOLL封裝在實(shí)際散熱系統(tǒng)中的熱路法簡化示意圖
03
對(duì)于系統(tǒng)熱阻Rj-coolant而言,
封裝類型的改變會(huì)帶來哪些影響?
如果單純的將熱路與電路進(jìn)行等價(jià),封裝類型的改變看似等同于更換了一個(gè)電阻,那么實(shí)際上是否真的如此呢?答案是否定的。
熱路法本質(zhì)是通過將一個(gè)三維傳熱問題簡化為一維傳熱問題以實(shí)現(xiàn)模型的簡化。簡化后的降階模型能夠大幅削減計(jì)算的成本,從而使大系統(tǒng)復(fù)雜工況的熱預(yù)測成為可能。但不要忘了,其本質(zhì)仍是一個(gè)三維傳熱問題。
封裝類型的不同,對(duì)于圖2中的Solder到Cold plate的子系統(tǒng)而言,就相當(dāng)于Solder層上表面熱源的面積與分布發(fā)生了變化,這種變化又會(huì)對(duì)子系統(tǒng)中每一層的等熱阻線分布產(chǎn)生大小不等的影響。其中,對(duì)于平面方向熱擴(kuò)散能力差的材料而言,這種影響會(huì)尤為顯著。
圖3 等熱阻線
04
不同封裝在水冷系統(tǒng)在
不同散熱方案下的熱表現(xiàn)對(duì)比
為了能夠更準(zhǔn)確的了解不同封裝在不同散熱方案下的熱表現(xiàn),也為了給后續(xù)完善降階模型提供足夠的樣本量,本文將借助有限元仿真的手段,對(duì)8種常見的功率半導(dǎo)體器件封裝進(jìn)行熱表現(xiàn)評(píng)估(底部散熱、頂部散熱各4種)。
其中,每種封裝對(duì)比30毫歐SiC與18毫歐GaN兩種類型的Die,每個(gè)Die的功耗為25W,全橋板(相同封裝的4個(gè)器件同時(shí)發(fā)熱),環(huán)境溫度85℃,冷卻液溫度65℃,流道采用針狀翅片,細(xì)節(jié)信息見圖4與表1。
Exposed Pad | Area(mm2) | Thickness(mm) |
TOLL-4L | 60.52 | 0.5 |
PSOP3-30L | 92.77 | 1.27 |
TO263-7L | 44.36 | 1.3 |
TO247-4L | 189.28 | 2 |
TFN10X10-44L | 45.88 | 0.2 |
PSOP3-20L | 85.66 | 1.27 |
TOLT-16L | 50.12 | 0.5 |
QDPACK | 131.69 | 0.9 |
表1 各類封裝exposed pad的面積與厚度
圖4 仿真對(duì)比的封裝類型、流道、功耗以及邊界條件
圖5為仿真對(duì)比的不同散熱方案。其中底部散熱封裝TOLL、PSOP-30L、TO263均與塞銅板焊接相連,適用A1-A5的散熱解決方案。而底部散熱封裝TO247則由于其插件式封裝特性,僅適用A2、A4-A6方案。
圖5仿真對(duì)比的不同散熱方案
圖6與圖7分別是底部散熱與頂部散熱封裝的疊層熱阻曲線圖。其中實(shí)線代表die為SiC,虛線代表die為GaN??梢园l(fā)現(xiàn):
圖6底部散熱封裝的疊層熱阻
圖7 頂部散熱封裝的疊層熱阻
1.當(dāng)die發(fā)生改變時(shí),相較其他層,die層的熱阻變化最為明顯。這種變化是由厚度、面積、材料所同時(shí)引起的;
2.當(dāng)die發(fā)生改變時(shí),die attach層的熱阻沒有顯著的變化。這是因?yàn)閐ie attach的面積始終與die保持一致而不需要進(jìn)行額外的熱擴(kuò)散,因此它的熱阻變化僅受die面積的影響;
3.當(dāng)die發(fā)生改變時(shí),exposed pad層的熱阻變化較為明顯。這是因?yàn)閷?duì)與exposed pad而言,熱源面積遠(yuǎn)小于其自身的表面積,熱流除了通過厚度方向以外,還需要在平面方向進(jìn)行擴(kuò)散,隨著熱源尺寸的增加,其熱阻會(huì)隨之逐漸變?。?/p>
4.當(dāng)die發(fā)生改變時(shí),對(duì)于exposed pad之后各層的熱阻影響取決于熱流是否已經(jīng)在exposed pad中受到了充分地?cái)U(kuò)散。即對(duì)于exposed pad厚度較薄的TFN而言,后續(xù)各層熱阻仍會(huì)有較明顯的變化,而這種明顯的變化在其他封裝中則難以被觀測到;
5.當(dāng)選用的封裝發(fā)生改變時(shí), exposed pad之后各層的熱阻均有不同程度的變化。相比起通過塞銅板進(jìn)行熱擴(kuò)散的底部散熱封裝,頂部散熱封裝的熱阻變化要更為明顯;
6.當(dāng)選用的封裝發(fā)生改變時(shí),沒有高導(dǎo)熱率中間層的散熱方案(如A3、A4、B2與B3)各層熱阻變化更為明顯。這是因?yàn)楦邔?dǎo)熱中間層可以使熱流在平面內(nèi)有更好的擴(kuò)散,從而削弱了exposed pad面積對(duì)后續(xù)各層熱阻的影響。
圖8與圖9分別是底部散熱封裝與頂部散熱封裝的系統(tǒng)熱阻曲線圖??梢园l(fā)現(xiàn):
圖8底部散熱封裝系統(tǒng)熱阻
圖9 頂部散熱封裝系統(tǒng)熱阻
1.die改變帶來的影響對(duì)于系統(tǒng)熱阻而言,它的占比非常??;
2.封裝類型改變帶來的影響對(duì)于系統(tǒng)熱阻而言,占比非常大,尤其是對(duì)于沒有高導(dǎo)熱率中間層的散熱方案(如A3、A4、B2與B3);
3. 結(jié)合圖6與圖7的疊層熱阻曲線圖看,當(dāng)流道熱阻約為0.7K/W時(shí),不同散熱方案下各封裝(全橋板)的系統(tǒng)熱阻范圍可以總結(jié)為表2。
Exposed Pad | Min Value (K/W) | Max Value (K/W) |
TOLL-4L | 1.43 | 2.79 |
PSOP3-30L | 1.26 | 2.25 |
TO263-7L | 1.46 | 2.84 |
TO247-4L | 1.28 | 2.39 |
TFN10X10-44L | 2.28 | 5.64 |
PSOP3-20L | 1.59 | 3.58 |
TOLT-16L | 2.08 | 5.02 |
QDPACK | 1.45 | 2.62 |
表2當(dāng)流道熱阻約為0.7K/W時(shí),
不同散熱方案下各封裝(全橋板)系統(tǒng)熱阻范圍
05
不同散熱方案下流道特征的影響
上一章給出了流道帶針翅特征時(shí),不同封裝不同散熱方案下的熱阻范圍。然而實(shí)際產(chǎn)品的流道特征會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)空間、制造工藝、成本等因素做出改變,流道的熱阻也會(huì)有非常大的變化。
那么更換流道時(shí),是否可以簡單的替換流道熱阻而推算出不同流道下的系統(tǒng)熱阻呢?本章將以TO263-7L(SiC)的A2與A3散熱方案以及TFN10X10-44L(SiC)和QDPACK(SiC)的B1與B2散熱方案為例,對(duì)比不同散熱方案下流道特征對(duì)熱阻的影響(見圖10)。可以發(fā)現(xiàn):
1.當(dāng)流道熱阻增大時(shí),緊挨流道的疊層熱阻有一定程度的減小,離流道較遠(yuǎn)的疊層熱阻則幾乎沒有變化;
2.當(dāng)流道熱阻增大時(shí),緊挨流道的疊層熱阻減小的程度與該層材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān),封裝的影響則難以被觀察到,數(shù)值上與流道熱阻的變化相比幾乎可以忽略不計(jì);
3.綜上所述,當(dāng)流道發(fā)生改變時(shí),直接替換疊層熱阻中的流道部分后獲得的系統(tǒng)熱阻仍可以較好的反映封裝在新系統(tǒng)中的熱表現(xiàn)。
圖10 不同散熱方案下流道特征對(duì)熱阻的影響
05
器件數(shù)量、功耗以及冷卻液流速的影響
前文的分析均以全橋板(4個(gè)器件)為對(duì)象,然而實(shí)際產(chǎn)品中往往會(huì)有遠(yuǎn)多于此的器件在同時(shí)工作。那么器件的數(shù)量會(huì)怎樣影響它們的熱表現(xiàn)呢?本章以TOLL-4L的A1方案為例,將半橋模塊(2個(gè)器件)作為基本單元,研究器件數(shù)量(串聯(lián)的單元數(shù)1-7)、流速(并聯(lián)的單元數(shù)1-3)、功耗(25W與40W)以及流量(3、6及12L/min)的影響。
圖11 串聯(lián)7組單元,且并聯(lián)單元數(shù)
分別為1、2、3時(shí)的仿真模型示意圖
圖12、圖13與圖14分別為不同并聯(lián)單元數(shù)量、不同功耗、不同流量下,系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系曲線圖。其中實(shí)線為所有單元中溫度最高的單元的熱阻曲線,虛線則為最靠近流道入口的單元的熱阻曲線??梢园l(fā)現(xiàn):
1.功耗的大小對(duì)系統(tǒng)熱阻幾乎沒有影響,些微的影響也主要來源于材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系以及冷卻液粘度與溫度的關(guān)系;
2.器件數(shù)量對(duì)系統(tǒng)熱阻有著顯著的影響。并且,對(duì)于特定的工況,存在一個(gè)最大影響范圍。當(dāng)器件間的距離超出該范圍時(shí),影響可以忽略不計(jì)。如圖中表示入口單元系統(tǒng)熱阻的虛線,當(dāng)串聯(lián)數(shù)量大于3時(shí),熱阻曲線趨于穩(wěn)定。注,圖中表示最高溫度單元系統(tǒng)熱阻的實(shí)線直到6或者7才趨于穩(wěn)定是因?yàn)樗瑫r(shí)受到兩側(cè)單元的影響;
3.流量對(duì)系統(tǒng)熱阻的影響非常大,除了如前文章節(jié)所說的影響流道熱阻外,還會(huì)影響上文提及的最大影響范圍的大小。如圖12中的藍(lán)色曲線,由于并聯(lián)數(shù)量為1,流速相對(duì)較快,系統(tǒng)熱阻幾乎不受串聯(lián)數(shù)量影響。又如圖14中的綠色虛線,相比低流量的灰線與藍(lán)線,串聯(lián)數(shù)量2-7均處于系統(tǒng)熱阻溫度區(qū)域;
4. 綜上所述,當(dāng)器件數(shù)量增多時(shí),圖8與圖9的系統(tǒng)熱阻值將不足以評(píng)估各封裝器件的實(shí)際熱表現(xiàn),此時(shí)需要結(jié)合流道、器件間距以及散熱方案對(duì)其進(jìn)行修正。
圖12 不同并聯(lián)單元數(shù)量下,系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系
圖13 不同功耗下,系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系
圖14 不同流量下(即流速不同),
系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系
06
基于EVB快插板的實(shí)際案例驗(yàn)證
EVB,即評(píng)估板(Evaluation Board)的英文簡稱。EVB通常是用于向客戶展示器件的性能、供客戶熟悉器件的功能和作用、且由芯片公司自己開發(fā)的非生成類型板。
前文的研究結(jié)論主要是基于小型簡化系統(tǒng)獲得,本章旨在以EVB快插板(實(shí)際產(chǎn)品)為對(duì)象驗(yàn)證前文所得規(guī)律是否依然適用。圖15為帶獨(dú)立水道的EVB(主板與功率快插板),其中快插板為載有4顆TOLL-4L封裝的全橋板,獨(dú)立水道結(jié)構(gòu)特征見圖16。
圖15 帶獨(dú)立水道的EVB(主板與功率快插板)
圖16 獨(dú)立水道結(jié)構(gòu)圖
散熱方案采用章節(jié)“不同封裝在水冷系統(tǒng)不同散熱方案下的熱表現(xiàn)對(duì)比”中的A5,但疊層信息中有若干差異,差異細(xì)節(jié)以及推測的疊層熱阻變化趨勢見表3。此外,仿真中獨(dú)立水道的流量分別設(shè)為2L/min、3L/min以及4L/min三種,其中2L/min的工況又分為單個(gè)器件功耗為25W與20W兩種,其余工況單個(gè)器件功耗均為25W,以驗(yàn)證流道熱阻以及器件功耗對(duì)系統(tǒng)熱阻的影響。
疊層 | 差異 | 推測疊層熱阻變化趨勢 |
TOLL-4L |
功耗相同, 數(shù)量相同, 間距近乎相等 |
無明顯變化,不隨流量變化而變化,不隨器件功耗變化 |
Exposed Pad Attach | 無 | 無明顯變化,不隨流量變化而變化,不隨器件功耗變化 |
Copper Inlay |
大小相同, 位置距離die 正下方較遠(yuǎn) |
增大,不隨流量變化而變化,不隨器件功耗變化 |
Top Attach |
導(dǎo)熱率降低, 厚度增加 |
增大,不隨流量變化而變化,不隨器件功耗變化 |
Al2O3 | 厚度增加 | 增大,不隨流量變化而變化,不隨器件功耗變化 |
Bottom Attach |
導(dǎo)熱率降低, 厚度增加 |
增大,不隨流量變化而變化,不隨器件功耗變化 |
Cold plate |
流道直徑變小, 流道結(jié)構(gòu)特征不同 |
流道熱阻需要通過仿真確認(rèn),且對(duì)流量變化較敏感,不隨器件功耗變化 |
圖17為不同流量EVB系統(tǒng)與前文小系統(tǒng)的疊層熱阻對(duì)比圖。可以發(fā)現(xiàn)疊層熱阻的變化趨勢與預(yù)測的幾乎完全一致。這表明前文總結(jié)的規(guī)律依然適用。
圖17 不同流量EVB系統(tǒng)與前文小系統(tǒng)的疊層熱阻對(duì)比圖
結(jié)論
通過本文對(duì)仿真對(duì)比分析,不同封裝在水冷系統(tǒng)散熱方案下的系統(tǒng)熱阻大致遵從如下規(guī)律:
1.選用的封裝如果exposedpad較薄,器件的結(jié)殼熱阻Rjc會(huì)更容易受到die尺寸的影響。不過相比系統(tǒng)熱阻而言,這種差異占比非常小,可以忽略不計(jì);
2.封裝的exposedpad面積越大,在相同散熱方案下的系統(tǒng)熱阻一般會(huì)越低(前提是exposed pad厚度沒有太大的差異),這種現(xiàn)象對(duì)于器件與冷板間缺乏良好熱擴(kuò)散的方案而言尤為顯著;
3.流道特征變化時(shí),系統(tǒng)熱阻的變化主要來自流道熱阻的變化,直接替換疊層熱阻中的流道熱阻可以作為一個(gè)有效的快速的系統(tǒng)熱阻預(yù)測手段;
4.器件的功耗大小對(duì)系統(tǒng)熱阻無明顯影響;
5.熱源數(shù)量的增加會(huì)顯著影響系統(tǒng)熱阻的大??;
6.對(duì)于5,存在一個(gè)最大影響范圍,當(dāng)熱源間距大于這個(gè)范圍時(shí),熱源數(shù)量的影響可以忽略不計(jì);
7.對(duì)于6,冷卻介質(zhì)流速會(huì)顯著影響最大影響范圍的大小。當(dāng)流速到達(dá)一定值后,可以認(rèn)為每個(gè)器件的系統(tǒng)熱阻不再受到熱源數(shù)量的影響;
8.8種常見的功率半導(dǎo)體器件封裝在不同水冷系統(tǒng)散熱方案下的具體熱表現(xiàn)可以通過圖8、圖9與表2查詢獲得。當(dāng)實(shí)際產(chǎn)品條件與本文所示存在差異時(shí),其系統(tǒng)熱阻不可直接沿用,應(yīng)結(jié)合上述規(guī)律對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正。
-
芯片
+關(guān)注
關(guān)注
455文章
50812瀏覽量
423575 -
半導(dǎo)體
+關(guān)注
關(guān)注
334文章
27362瀏覽量
218641 -
仿真
+關(guān)注
關(guān)注
50文章
4082瀏覽量
133599
原文標(biāo)題:納微仿真101 | 熱學(xué)篇:芯片的不同封裝在水冷系統(tǒng)不同散熱方案下的熱表現(xiàn)
文章出處:【微信號(hào):納微芯球,微信公眾號(hào):納微芯球】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論