芯片封裝級(jí)熱仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：Cruise 創(chuàng)建時(shí)間：2022-06-02
芯片封裝級(jí)熱仿真的視頻教程
Cadence Celsius Studio從芯片到系統(tǒng)熱仿真解決方案
軟件優(yōu)勢(shì)： Cadence Celsius Studio提供完整的用于電子系統(tǒng)的AI散熱設(shè)計(jì)和分析解決方案，可用于PCB及產(chǎn)品系統(tǒng)的電子散熱設(shè)計(jì)，也可用于芯片封裝的熱與熱應(yīng)力分析。
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芯片封裝級(jí)熱仿真的實(shí)例教程
本文來(lái)給大家講一講封裝級(jí)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(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致其無(wú)論從成本、尺寸、重量還是性能方面來(lái)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(huì)影響芯片上的溫度分布。
本文以SOP封裝為例，介紹使用Flotherm對(duì)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(cè)溫點(diǎn)的位置如下圖所示。分別對(duì)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(duì)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(huì)有明顯的降低，由6.61℃/W降低到1.12℃/W。
展開 下面就來(lái)介紹一下如何使用云道智造“電子散熱模塊”進(jìn)行“基于雙熱阻模型的芯片封裝中簡(jiǎn)單強(qiáng)制對(duì)流換熱”仿真分析。
“芯片雙熱阻封裝的簡(jiǎn)單強(qiáng)制對(duì)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(gè)機(jī)箱、1 個(gè) PCB 板、1 個(gè)雙熱阻封裝、1 個(gè)軸流風(fēng)扇、1 個(gè)散熱器的簡(jiǎn)單強(qiáng)迫對(duì)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(jì)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(diǎn)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(rèn)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(duì)重要器件進(jìn)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(diǎn)擊進(jìn)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(zhǎng)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(jì)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(jì)算結(jié)果
本分析類型為穩(wěn)態(tài)、流熱耦合計(jì)算。
展開 手機(jī)、電腦、智能家電等智能化設(shè)備都離不開芯片，隨著人們對(duì)智能化設(shè)備的功能要求越來(lái)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(lái)的是越來(lái)越嚴(yán)重的發(fā)熱問題。芯片過(guò)熱會(huì)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(duì)其進(jìn)行封裝，封裝是為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片與外界交換信號(hào)并保護(hù)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(zhǎng)使用壽命，工程師需要在芯片封裝前進(jìn)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(jì)優(yōu)化，以保證芯片工作時(shí)的溫度不超過(guò)其最大結(jié)點(diǎn)溫度，從而減少打樣試錯(cuò)次數(shù)，節(jié)約時(shí)間和成本，縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
目前，CAE仿真軟件國(guó)產(chǎn)化率較低。為解決ICT領(lǐng)域“卡脖子”的難題，云道智造基于根技術(shù)平臺(tái)開發(fā)了“電子散熱模塊”，率先實(shí)現(xiàn)自主化替代，其對(duì)標(biāo)占據(jù)市場(chǎng)90%份額的兩款國(guó)際商業(yè)軟件，已在國(guó)內(nèi)電子通信龍頭企業(yè)、芯片企業(yè)得到標(biāo)桿性應(yīng)用，并面向相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行推廣。
云道智造“電子散熱模塊”
“電子散熱模塊”是針對(duì)電子元器件、設(shè)備等散熱的專用 熱仿真模塊，內(nèi)置電子產(chǎn)品專用零部件模型庫(kù)，支持用戶通過(guò)“搭積木”的方式快速建立電子產(chǎn)品的
熱分析模型，并利用成熟穩(wěn)定的算法計(jì)算流動(dòng)與傳熱問題，對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行高效的熱可靠性分析。可廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、電子產(chǎn)品、半導(dǎo)體產(chǎn)品與設(shè)備、汽車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：
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現(xiàn)階段，各類電子設(shè)備普遍采用強(qiáng)制空氣對(duì)流的方式來(lái)冷卻發(fā)熱器件，即通過(guò)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(jī)等設(shè)備增強(qiáng)空氣循環(huán)，將散熱器上的熱量帶走。
展開 樣件制作完成后，也需要做多輪的熱測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證表面處理、界面材料、功耗、環(huán)溫對(duì)芯片結(jié)溫的實(shí)際影響，將仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比，review參數(shù)設(shè)置，并多做總結(jié)，形成一個(gè)閉環(huán)的設(shè)計(jì)思路，不斷提高熱設(shè)計(jì)水平。
三、Icepak板級(jí)熱仿真實(shí)操
熱設(shè)計(jì)當(dāng)今常用的散熱軟件主要有Flotherm和Icepak，其中IcepaK可以求解異形的結(jié)構(gòu)，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有較好的精度，對(duì)于電子散熱仿真是一款非常專業(yè)的軟件。在汽車電子散熱仿真來(lái)說(shuō)，由于車廠其他結(jié)構(gòu)和電磁的仿真多使用ANSYS的其他軟件，為了統(tǒng)一習(xí)慣，也為了處理異形的CAD結(jié)構(gòu)，icepak用于散熱仿真較為常見。但從易用性來(lái)說(shuō)，F(xiàn)lotherm有一定的優(yōu)勢(shì)，它需要更多繁瑣注意項(xiàng)，以及操作流程。
不光是汽車行業(yè)，這幾年芯片計(jì)算能力需求的飛速發(fā)展和對(duì)可靠性要求的日益提升，越來(lái)越需要高速PCB板以及大功率PCB板，這對(duì)前期的設(shè)計(jì)提出更高的要求，需要仿真加以驗(yàn)證，甚至是需要熱電耦合仿真或者結(jié)構(gòu)熱耦合仿真。對(duì)于PCB板級(jí)熱仿真，Icepak可以導(dǎo)入精確的布線，并通過(guò)metal fraction計(jì)算局部的導(dǎo)熱系數(shù)，這樣更好的得到一個(gè)貼合實(shí)際的結(jié)果。它還提供了各種熱阻模型，常用的雙熱阻模型，以及DELPHI模型，以及詳細(xì)模型。除此之外還包含各種宏命令，方便對(duì)于特定問題的求解，它也可與ANSYS workbench中其他模塊數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。
做板級(jí)熱仿真，首先第一步便是參數(shù)的收集。要知道所處的工作溫度（環(huán)溫），以及板子的尺寸大小、布置方向、器件的尺寸大小和在PCB板的相應(yīng)的位置，是否有風(fēng)或者其他外加散熱措施。除此之外，需要器件手冊(cè)的相關(guān)內(nèi)容，RθJB和RθJC以及最大TjMax，前兩個(gè)熱阻參數(shù)是雙熱阻模型所必須的，最大結(jié)溫是為了驗(yàn)證結(jié)果是否超溫。
展開 通過(guò)PowerArtist對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間場(chǎng)景仿真，輸出的profilepower波形，合成產(chǎn)生包含中低頻電流的CPM模型，從而可以滿足封裝單板仿真的需求
面向受眾
封裝/PCB單板設(shè)計(jì)人員
時(shí)間
2022年5月31日（周二）16:00-17:00
費(fèi)用
免費(fèi)
講師簡(jiǎn)介
余斌|Sanechips
Sanechips封測(cè)資深專家，在芯片封裝pcb設(shè)計(jì)方面具有16年的SI/PI仿真經(jīng)驗(yàn)，負(fù)責(zé)包括PI/SI/EMI/熱仿真在內(nèi)的仿真團(tuán)隊(duì)，并負(fù)責(zé)Sanechips ZTE的芯片設(shè)計(jì)的性能和可靠性。
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Moldex3D仿真分析之芯片封裝制程挑戰(zhàn)與不確定性3個(gè)月前
IC封裝是以固態(tài)封裝材料 (Epoxy Molding Compound, EMC)及液態(tài)封裝材料(Liquid Molding Compound, LMC)進(jìn)行封裝的制程，藉以達(dá)到保護(hù)精密電子芯片避免物理?yè)p壞或腐蝕。在封裝的過(guò)程中包含了微芯片和其他電子組件(所謂的打線)、熱固性材料的固化反應(yīng)、封裝制程條件控制之間的交互作用。由于微芯片封裝包含許多復(fù)雜組件，故芯片封裝制程中將會(huì)產(chǎn)生許多制程挑戰(zhàn)與不確定性
VK1603 SOP8/TSOT23-8三色3通道LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片廠家小封裝數(shù)顯驅(qū)動(dòng)電路256級(jí)調(diào)節(jié)3個(gè)月前
VK1603是三通道LED驅(qū)動(dòng)控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動(dòng)等電路。通過(guò)外圍MCU控制實(shí)現(xiàn)該芯片的單獨(dú)輝度、級(jí)聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)戶外大屏的彩色點(diǎn)陣發(fā)光控制。產(chǎn)品性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠。ZXY6460
特點(diǎn)
? 單線數(shù)據(jù)傳輸
? 內(nèi)置雙RC振蕩，并根據(jù)數(shù)據(jù)線上信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘同步，在接受完本單元的數(shù)據(jù)后能自動(dòng)將
?
AnsysWB-硅芯片表面貼裝封裝的傳熱仿真5個(gè)月前
所有集成電路 （尤其是高速器件）都會(huì)產(chǎn)生熱量。在當(dāng)今密集的電子系統(tǒng)布局中，多
數(shù)情況下熱源都置于靠近熱敏性集成電路的位置。印刷電路板的設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要考
慮熱敏器件和發(fā)熱器件的相對(duì)位置，使敏感器件不至于過(guò)熱。
有一種發(fā)熱裝置是調(diào)壓器，可以產(chǎn)生幾瓦的熱量，溫度會(huì)超過(guò) 70?C。如果在設(shè)計(jì)電路
板時(shí)將這樣的裝置置于靠近包含敏感硅芯片的表面貼裝封裝的位置
AnsysWB-IGBT芯片穩(wěn)態(tài)熱仿真5個(gè)月前
絕緣柵雙極性晶體管模塊（IGBT模塊）因其能夠承受高電壓、導(dǎo)通強(qiáng)電流，同時(shí)快速切換兩種模式，成為大功率系統(tǒng)的熱門選擇。
該模塊由多個(gè)安裝在銅底板頂部的IGBT芯片組成，底部配有散熱器。在模塊中，電流因電阻損耗而產(chǎn)生熱量，這也被稱為焦耳熱。雖然散熱器以相對(duì)恒定的速率散熱，但模塊的開關(guān)以及隨后電流密度和熱源的增減會(huì)導(dǎo)致模塊以循環(huán)的方式加熱和冷卻。這種反復(fù)的熱膨脹和機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致機(jī)械疲勞[1]，
<p>電子系統(tǒng)散熱一直以來(lái)就是研發(fā)設(shè)計(jì)師們所關(guān)注的痛點(diǎn)。當(dāng)前，隨著消費(fèi)電子終端產(chǎn)品往高集成輕薄化發(fā)展，散熱技術(shù)正在成為影響硬件發(fā)展和用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵因素。</p><p>而率先在業(yè)內(nèi)提供完整的用于電子系統(tǒng) AI 散熱設(shè)計(jì)和分析解決方案的<strong>Cadence? Celsius? Studio 平臺(tái)</strong>，不僅可以用于 PCB 和完整電子組件電子散熱設(shè)計(jì)，也可用于 2.5D
手機(jī)、電腦、智能家電等智能化設(shè)備都離不開芯片，隨著人們對(duì)智能化設(shè)備的功能要求越來(lái)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(lái)的是越來(lái)越嚴(yán)重的發(fā)熱問題。芯片過(guò)熱會(huì)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(duì)其進(jìn)行封裝，封裝是為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片與外界交換信號(hào)并保護(hù)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(zhǎng)使用壽命
手機(jī)、電腦、智能家電等智能化設(shè)備都離不開芯片，隨著人們對(duì)智能化設(shè)備的功能要求越來(lái)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(lái)的是越來(lái)越嚴(yán)重的發(fā)熱問題。芯片過(guò)熱會(huì)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(duì)其進(jìn)行封裝，封裝是為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片與外界交換信號(hào)并保護(hù)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(zhǎng)使用壽命
Ansys多物理場(chǎng)平臺(tái)提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案，可應(yīng)對(duì)仿真和管理異構(gòu)2.5D/3D-IC多芯片系統(tǒng)的電源和熱效應(yīng)方面的挑戰(zhàn)
主要亮點(diǎn)
Ansys? Redhawk-SC?和Ansys?
近日一篇《華為又一項(xiàng)芯片堆疊封裝專利曝光》的文章刷屏芯片封裝工程師的朋友圈。它是一個(gè)避免使用TSV的3D封裝設(shè)計(jì)，吸引了我的芯片封裝設(shè)計(jì)精品課學(xué)習(xí)型仿真工程師的好奇和關(guān)注。眾所周知，TSV的制作工藝復(fù)雜，可靠性差，尤其是TSV first和TSV middle都需要在fab廠做，甚至?xí)绊懶酒骷煽啃裕裉煳覀兙蛠?lái)聊聊芯片堆疊封裝那些事。
華為芯片堆疊封裝
01
工程背景
熱—電子設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵問題
