現(xiàn)今的芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到億門(mén)級(jí)集成度，即便經(jīng)驗(yàn)最豐富的設(shè)計(jì)工程師也無(wú)法憑手工完成。在芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中，仿真驗(yàn)證是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，以確保芯片在進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)前能夠符合預(yù)期設(shè)計(jì)性能要求。而其中芯片的熱傳輸和散熱性能是至關(guān)重要的一點(diǎn)。

芯片散熱模擬

大多數(shù)功率半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)都非常相似。這是一個(gè)熱模型示例，其中包含芯片、引腳、銅片等分立建模元件。

詳細(xì)熱模型（左下）和詳細(xì)芯片結(jié)構(gòu)（右）

芯片的整體厚度為240 μm。這可以分成兩部分：芯片體，可以導(dǎo)熱但不散熱；較薄的芯片結(jié)點(diǎn)，可以導(dǎo)熱，并且當(dāng)器件傳導(dǎo)電流時(shí)幫助芯片散熱。在芯片頂部，有5 μm的鋁層。這種芯片細(xì)節(jié)水平對(duì)于分析器件瞬態(tài)散熱非常重要。

由于芯片的非統(tǒng)一特性，工程師們無(wú)法立即了解芯片節(jié)點(diǎn)散熱時(shí)器件內(nèi)部的熱量的流動(dòng)情況，或者器件的熱量隨時(shí)間上升的情況。然而通過(guò)模擬，可以給這些效果建模分析。

工程師們通過(guò)執(zhí)行多個(gè)持續(xù)時(shí)間不同的瞬態(tài)熱仿真，并觀察溫度上升和芯片內(nèi)的熱傳輸。

所有示例的起始溫度都是20 °C，仿真持續(xù)時(shí)間為1 μs、10 μs、100 μs和1 ms。芯片結(jié)點(diǎn)功耗均為1500 W，記錄芯片結(jié)點(diǎn)中心位置的溫度。

1 μs、10 μs、100 μs和1 ms后的溫度分布圖

仿真結(jié)果

1 μs后，溫度增加幅度很低。盡管芯片結(jié)點(diǎn)的功耗可能很高，但設(shè)備內(nèi)的總能耗仍然只有1.5 mW。

100 μs后，大約只有一半芯片厚度仍然保持起始溫度，且溫度相對(duì)較低，只有60.5 ℃。

1ms時(shí)，熱量開(kāi)始向銅片頂部傳輸，且溫度接近器件的最高限值175 ℃。

進(jìn)一步觀察，可以看到1ms之后，總熱量中只有不到1%通過(guò)銅片底部散出，甚至比通過(guò)器件周?chē)芰喜考鬏數(shù)臒崃窟€少。

芯片在1ms的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，大部分熱傳輸和溫度變化都會(huì)發(fā)生在器件內(nèi)部，這時(shí)候散熱器對(duì)芯片的熱傳導(dǎo)是沒(méi)有任何效果的。

設(shè)計(jì)師可以根據(jù)這個(gè)結(jié)果，改善芯片內(nèi)部的熱傳輸，從而獲取效率更高損耗更低的芯片設(shè)計(jì)。