隨著現代社會的智能化發展，在人類生活的各個角落，無論是汽車電子還是人工智能，再或是AR、VR，以及其他新科技應用領域，半導體芯片都是智能化控制的最基礎、最核心的部分。高度集成的封裝及電路控制可以幫助人類完成各種各樣的工作。

高度集成化的芯片封裝

為滿足智能化、微型化的需求，芯片被最大程度地封裝集成，多個芯片(chip）或并列封裝于一個Package中，形成SIP(System In a Package)系統級封裝，或進行Stacked堆疊封裝,形成堆棧裸片封裝。

 SIP系統級封裝

 

Stacked Die堆棧封裝示意圖

眾所周知，當電流流經導體時，必然會生成焦耳熱，熱量的不平均勢必引起導體的熱變形等不良現象，那么對于高度集成的芯片封裝，在其工作時，芯片內部的熱耗勢必急劇增大，進而導致芯片內部溫度升高，因此在芯片封裝的研發過程中，芯片封裝的過熱問題必須得到良好的控制。

焦耳熱引起的導體溫升及熱變形

 

     某芯片內部的電流云圖、某芯片的溫度云圖分布

正如華為總裁任正非2018年接受記者采訪時講到“我們把芯片疊起來，但最大的問題是要把兩個芯片中間的熱量散出來，這也是尖端技術，所以說，熱學將是電子工業中最尖端的科學，這方面我們的研究也是領先的，就是太抽象了”，那么在芯片封裝的研發過程中，工程師可以使用ANSYS Icepak對芯片封裝內部的熱流場進行CAE仿真計算，也可以和ANSYS其他模塊一起，進行芯片封裝的多物理場耦合模擬計算，以便調控熱流傳遞路徑，更好地降低芯片Die的溫度，提高其熱可靠性。下圖為某芯片內部的熱流密度及溫度云圖，可以看出，芯片內部的溫度極其不均勻。

ANSYS Icepak作為一款優異的電子熱仿真軟件，可以對芯片封裝的各個尺度進行熱流仿真計算，小到芯片內部0.25μm的溝道，大到cm厘米級別的封裝、芯片，都可以對其進行有效精確的熱流仿真計算。當前，在芯片封裝的CAE熱流計算中，主要是計算了芯片封裝放置于JEDEC（美國聯合電子設備工程協會）標準機箱內自然冷卻、強迫對流情況下的熱阻數值。芯片封裝內的銅箔布線和過孔，是芯片熱流最重要的傳熱路徑，因此在對芯片進行詳細的熱流計算時，務必導入其布線過孔信息，以提高熱仿真計算的精度。

封裝的布線分布及精確的導熱率云圖

芯片封裝熱流計算常見的幾種熱阻分類如下：

芯片封裝的Rja熱阻，表示芯片的結點Junction與外界空氣的熱阻，單位為℃/W，一般由芯片制造商提供。Rja熱阻數值的大小，通常被用來判斷芯片散熱性能的好壞。下圖表示某個芯片的Rja熱阻數值（包括自然冷卻和強迫風冷）。

某芯片封裝的Rja數值

Rja熱阻通常包括兩種，一種為將芯片放置于JEDEC標準的密閉測試機箱中，芯片通過自然冷卻進行散熱，即外側風速為0，計算芯片封裝的Rja；另一種為將芯片放置于JEDEC標準的風洞中，通過外界的強迫風冷對芯片進行散熱，需要計算不同風速下的芯片Rja熱阻，其中風洞垂直距離h應該大于測試電路板流向長度L的2倍，即h>2L。

封裝Rja熱阻（自然冷卻）模型示意圖

 

封裝Rja熱阻（強迫風冷）模型示意圖

芯片Rja熱阻的計算公式如下所示：

Rja=（Tj-Ta）/P       

Rja表示芯片結點Junction至環境空氣的熱阻，℃/W；

Tj表示芯片Die的最高溫度，℃；

Ta表示環境的空氣溫度，℃；

P表示芯片Die的熱耗，W；Tj、Ta測量點示意圖如下圖所示。

 

 Tj、Ta測量點示意圖

進行Rja計算時，芯片務必放置于電路板上，當芯片封裝的尺寸小于27mm時，測試電路板的尺寸如下左圖所示；當芯片封裝尺寸大于等于27mm時，測試電路板的尺寸如下右圖所示。

芯片尺寸小于27mm 、芯片尺寸大于等于27mm

• 芯片封裝的Rjc熱阻，表示芯片封裝的結點Die至芯片管殼Case頂部的熱阻。將芯片封裝放置于四周絕熱的環境中，芯片封裝僅僅通過管殼的頂部與外接環境進行換熱，恒定的換熱系數為25w/k.m2。Rjc測試的示意圖如下圖所示。

Rjc熱阻測試示意圖

Rjc的計算公式為：

Rjc=（Tj-T_c）/P       

Tj表示芯片Die的最高溫度，℃；

Tc表示芯片管殼Case的最高溫度，℃；

P表示芯片Die的熱耗，W。

• 芯片封裝的Rjb熱阻，表示芯片封裝的結點Die至電路板Board的熱阻，其真實的測試示意圖下圖所示。芯片封裝放置于Pcb電路板上，電路板長、寬方向的尺寸均大于芯片封裝5mm，將芯片和電路板放置于密閉的空間內，電路板四周的面處于恒定的溫度，芯片封裝的熱量只能通過電路板傳導至電路板四周恒溫的壁面。

Rjb熱阻測試示意圖

芯片封裝Rjb的計算公式為:

Rjb=（Tj-T_b）/P       

Tj表示芯片Die的最高溫度，℃；

Tb表示電路板board的溫度，℃；

P表示芯片Die的熱耗，W。

因此，使用ANSYS Icepak可以精確地計算芯片封裝內部的熱流分布，計算不同工況下的熱阻數值，方便工程師洞悉芯片內部的熱流路徑，以進一步改善芯片的熱流環境，提高其熱可靠性。

來源：安世亞太