本文來給大家講一講封裝級熱仿真的方法以及需要注意的問題。芯片封裝熱仿真之所以重要，主要有以下兩個(gè)原因。

首先，在一個(gè)大外形、大功率芯片（例如片上系統(tǒng) SoC）設(shè)計(jì)中，如果不考慮散熱問題，則很可能在以后會出現(xiàn)問題，導(dǎo)致其無論從成本、尺寸、重量還是性能方面來看，均不能稱為理想的封裝解決方案。

其次，雖然在以往的IC設(shè)計(jì)中都已考慮到芯片溫度要均勻，但是在許多情況下，這已不再是一個(gè)有效的假設(shè)了。電流泄漏導(dǎo)致的發(fā)熱使功率耗散不均勻，加上使用更薄的芯片（現(xiàn)在已小于 50μm），更是降低了芯片自身的熱擴(kuò)散能力。這兩種原因使得芯片上溫度變化更大。

設(shè)計(jì)三維疊層集成電路等多晶粒芯片時(shí)，芯片封裝熱仿真設(shè)計(jì)就顯得必不可少。熱傳遞是高度的三維現(xiàn)象，封裝溫度的分布會影響芯片上的溫度分布。

本文以SOP封裝為例，介紹使用Flotherm對芯片封裝進(jìn)行熱仿真分析及優(yōu)化的流程。仿真目標(biāo)是確定保證芯片結(jié)溫低于150℃且熱量能夠正常耗散的最大功耗值。SOP封裝的尺寸如下圖所示。

SOP封裝在PCB板上的安裝形式及測溫點(diǎn)的位置如下圖所示。分別對沒有散熱器和有散熱器兩種情況進(jìn)行仿真，在有散熱器的情況下在PCB板和散熱器基板之間有導(dǎo)熱膠進(jìn)行連接。 

仿真使用的PCB板為59x61mm的6層板，假設(shè)每層的覆銅率在每層內(nèi)分布是均勻的。基于該假設(shè)，根據(jù)每層的覆銅率計(jì)算該層的熱傳導(dǎo)系數(shù)，如下表。

首先，對沒有安裝散熱器的情況進(jìn)行仿真，封裝安裝在板的主面，copper slug焊接在板子上，環(huán)境溫度為85℃。下圖為仿真結(jié)果。仿真熱耗為2w，die attach的熱導(dǎo)率為1.6W/mK。如果把die attach換成導(dǎo)熱性能更好的材料（熱導(dǎo)率為50W/Mk），結(jié)殼熱阻值會有明顯的降低，由6.61℃/W降低到1.12℃/W。

 

然后，對安裝了散熱器的情況進(jìn)行仿真，散熱器安裝在板的底面，板和散熱器之間有導(dǎo)熱膠。安裝散熱器散熱效果有顯著改善，結(jié)到環(huán)境的熱阻從16℃/W降低到5.73℃/W。封裝截面的熱通量云圖如下圖所示，能明顯看出封裝內(nèi)的熱量通過散熱器更大的表面積耗散出去。

 

下表是對有散熱器和無散熱器兩種情況的對比，兩種情況都對ablebond、cookson兩種材料的die attach進(jìn)行了研究。不同工況下允許的芯片最大功耗值如下。對有無散熱器這兩種情況下SOP封裝進(jìn)行了散熱對比，得出了相應(yīng)的最大允許芯片功耗值。

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