芯片散熱的案例
【技術(shù)】天洑智能優(yōu)化案例集錦（1）——芯片散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化
所以，新型高效的散熱能力是電子芯片穩(wěn)定工作的重要保障。
芯片級(jí)高效的散熱方式主要包含兩種發(fā)展方向：更強(qiáng)的散熱方式和更精細(xì)化的散熱結(jié)構(gòu)。其中，散熱方式經(jīng)歷了自然冷卻-氣冷-液冷三個(gè)發(fā)展階段，更精細(xì)化、微型的散熱結(jié)構(gòu)也成為了目前發(fā)展的主流。AIPOD作為一款流程自動(dòng)化的多學(xué)科優(yōu)化軟件，可以基于熱流體仿真軟件軟件的溫度場(chǎng)仿真能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子芯片散熱結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化，為散熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供新的思路和方案。
圖1 微通道液冷散熱示意圖
案
性能分析
2.1 平均熱流密度
平均熱流密度是一種直觀(guān)的、評(píng)價(jià)散熱系統(tǒng)好壞的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，只需要通過(guò)仿真軟件中芯片的溫度場(chǎng)的變化情況即可計(jì)算流體的平均熱流密度。平均熱流密度越高，表示散熱系統(tǒng)的散熱能力越強(qiáng)。
2.2 壓降損失
壓降損失是由流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)克服內(nèi)摩擦力和克服湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞并交換動(dòng)量而引起的，可以有效衡量流體流動(dòng)過(guò)程中的能量損耗。一般來(lái)說(shuō)，散熱系統(tǒng)需要盡可能減少壓降損失，從而減少散熱系統(tǒng)的能量消耗。
AIPOD優(yōu)化散熱器設(shè)計(jì)
基于通用的熱流體仿真軟件對(duì)溫度場(chǎng)的仿真能力，使用AIPOD搭建了電子芯片散熱結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。其中，本案例的設(shè)計(jì)參數(shù)包括材料參數(shù)和功耗參數(shù)兩類(lèi)，優(yōu)化目標(biāo)為最大化平均熱流密度。
展開(kāi) 聚燦光電使用T3Ster大大提升LED芯片散熱能力
故事摘要
芯片的散熱性能是LED燈具品質(zhì)的重要因素之一。由于LED燈具的發(fā)光原理和工作方式，芯片會(huì)受到較高的溫度影響，如果芯片的散熱性能不足，則會(huì)導(dǎo)致芯片過(guò)熱和壽命縮短，甚至引發(fā)燈具故障。因此，在LED燈具設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，必須考慮芯片的散熱問(wèn)題，并采取有效的散熱措施。
聚燦光電依托自身的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新能力，并結(jié)合先進(jìn)的半導(dǎo)體器件封裝熱特性測(cè)試儀——T3Ster來(lái)解決芯片散熱問(wèn)題。
在聚燦光電的研發(fā)過(guò)程中，T3Ster技術(shù)被廣泛應(yīng)用，為公司的芯片設(shè)計(jì)和制造提供了重要的支持。通過(guò)T3Ster技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，聚燦光電的芯片散熱性能得到了極大的提升，這不僅增加了芯片的使用壽命，也提高了芯片的穩(wěn)定性和可靠性，使得聚燦光電的產(chǎn)品具有更高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
聚燦光電簡(jiǎn)介
聚燦光電是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售三方面為一體的高新技術(shù)企業(yè)，主要產(chǎn)品為GaN基高亮度LED外延片、芯片，主要應(yīng)用于顯示背光、通用照明、醫(yī)療美容等中高端應(yīng)用領(lǐng)域。。目前，公司已經(jīng)發(fā)展成為國(guó)內(nèi)高亮度LED芯片的主流廠(chǎng)家之一。
客戶(hù)遇到的挑戰(zhàn)
市場(chǎng)上大部分的熱阻測(cè)試設(shè)備，采用落后的采樣方法（脈沖法），其測(cè)量的數(shù)據(jù)量非常稀少（整個(gè)溫度變化過(guò)程總計(jì)都不超過(guò)150個(gè)采樣點(diǎn)），因此測(cè)試曲線(xiàn)的精度和平滑性都很差，完全無(wú)法準(zhǔn)確分析出器件內(nèi)部封裝構(gòu)造的結(jié)構(gòu)函數(shù)，而且也提供不了頻域分析結(jié)果，分析結(jié)果中的RC網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)甚至都不超過(guò)10個(gè)，這些參數(shù)尤其是平滑的溫度變化曲線(xiàn)是所有后續(xù)分析的最重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
客戶(hù)如何接觸到T3Ster
T3Ster熱阻測(cè)試儀在市場(chǎng)上廣受認(rèn)可，很多企業(yè)實(shí)驗(yàn)室會(huì)選擇這款儀器來(lái)使用。通過(guò)庭田科技公司的專(zhuān)家顧問(wèn)團(tuán)隊(duì)給予的售前技術(shù)支持，聚燦光電更全面的了解到T3Ster無(wú)可比擬的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。
客戶(hù)為何選擇T3Ster？
展開(kāi) ANSYS workbench 芯片穩(wěn)態(tài)散熱分析 ￥10
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
你會(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)芯片的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)芯片穩(wěn)態(tài)散熱分析步的建立
3、學(xué)習(xí)芯片穩(wěn)態(tài)散熱分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)芯片穩(wěn)態(tài)散熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 芯片穩(wěn)態(tài)散熱分析分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
芯片與散熱器之間的接觸熱阻的評(píng)估
芯片與散熱器接觸面間填充的介質(zhì)，由于其導(dǎo)熱率低于固體材料，芯片上表面的部分熱量無(wú)法有效導(dǎo)出，從而在兩接觸面之間會(huì)形成溫度差，熱量流經(jīng)接觸面時(shí)仿佛遇到了阻力，該物理現(xiàn)象便稱(chēng)為接觸熱阻。
接觸熱阻的形成對(duì)芯片散熱是不利的，然而芯片與散熱器之間的接觸熱阻確是客觀(guān)存在的，只能減小，無(wú)法消除。接觸熱阻的大小與材料表面粗糙度、接觸壓力以及填充介質(zhì)均有關(guān)系，表面粗糙度越小，接觸壓力越大，介質(zhì)導(dǎo)熱率越高，形成的接觸熱阻就越小。
接觸熱阻的評(píng)估，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和方案篩選階段可忽略，但在詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須慎重評(píng)估，不可忽略，可根據(jù)以前的仿真和實(shí)測(cè)的復(fù)盤(pán)，反推出接觸熱阻的大小，典型值可用0.3℃/W進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，具體跟平面度、粗糙度、緊固力和填充介質(zhì)有關(guān)。
展開(kāi) 
FCBGA封裝的 CPU 芯片散熱性能影響因素研究
同時(shí)，芯片集成化和小封裝的需求也不斷增長(zhǎng)，這就導(dǎo)致了芯片的功率密度(單位面積的功耗)越來(lái)越高，因此芯片散熱問(wèn)題日趨嚴(yán)峻。芯片散熱是將芯片晶圓產(chǎn)生的熱量傳遞到外界環(huán)境中去,主要通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射3種換熱形式進(jìn)行。
圖1 服務(wù)器CPU功耗增長(zhǎng)趨勢(shì)
02
CPU 散熱方式
對(duì)于FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array)倒裝球柵陣列封裝的CPU芯片來(lái)說(shuō)，通常有2個(gè)傳熱路徑：一部分熱量通過(guò)封裝底面的焊盤(pán)傳導(dǎo)至主板上進(jìn)行散熱；另外一部分熱量通過(guò)封裝頂面?zhèn)鲗?dǎo)至散熱器，再由散熱器向外界環(huán)境散熱。根據(jù)FCBGA封裝的結(jié)構(gòu)特性和相關(guān)研究表明，約90%以上的熱量是通過(guò)封裝頂面?zhèn)鲗?dǎo)至散熱器進(jìn)行散熱。因此，為提高芯片散熱效率，需要盡量減少芯片晶圓到外界環(huán)境的散熱熱阻。如圖2所示，為某FCBGA封裝的CPU傳熱結(jié)構(gòu)和傳熱熱阻鏈路示意圖。
展開(kāi) 仿真技術(shù)與芯片并行，探討其不同部分的熱傳輸以及散熱效果
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(guān)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(guān)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。
展開(kāi) 國(guó)內(nèi)芯片熱沉最大工廠(chǎng)于深圳寶安落成，湃泊閉環(huán)解決芯片散熱卡脖子難題
來(lái)源 | 湃泊科技官方
2024年1月3日，湃泊科技的芯片熱沉工廠(chǎng)在深圳市寶安區(qū)松崗江碧環(huán)保科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園落成，全面建成后月產(chǎn)值將達(dá)500萬(wàn)顆，不僅將成為國(guó)內(nèi)最大激光熱沉工廠(chǎng)，或也將成為全球在芯片熱沉細(xì)分領(lǐng)域最大的現(xiàn)代化工廠(chǎng)。
湃泊所聚焦的芯片熱沉賽道屬于高功率激光芯片的一個(gè)環(huán)節(jié)，“激光芯片”屬于高端制造，但在近年來(lái)已經(jīng)絕大部分實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代，除了熱沉陶瓷散熱片環(huán)節(jié)，一直被日本、美國(guó)公司所壟斷。
事實(shí)上，中國(guó)在高功率激光制造環(huán)節(jié)下游，比如高鐵、新能源汽車(chē)、包括軍工、航天，近幾年到未來(lái)增長(zhǎng)非常快。也就是說(shuō)，中國(guó)幾乎是芯片熱沉最大的應(yīng)用市場(chǎng)，但是在激光芯片熱沉環(huán)節(jié)是缺失的。完全受制于日本企業(yè)，甚至現(xiàn)在激光芯片散熱片比芯片本身還要貴。
使命、愿景、價(jià)值觀(guān)
湃泊創(chuàng)始人安屹向媒體解釋?zhuān)骸?em>芯片散熱卡在三高問(wèn)題：高熱、高壓、高頻，這是最大的痛點(diǎn)，湃泊下決心要從生產(chǎn)鏈條的根本上，和上下游的國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商一塊兒解決這三大問(wèn)題。”
所以，湃泊從創(chuàng)立初期，就致力于用國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈閉環(huán)，替代原來(lái)只能依靠日本、歐洲、美國(guó)的這條產(chǎn)業(yè)鏈。從熱沉設(shè)計(jì)，陶瓷預(yù)處理，PVD薄膜工藝，精細(xì)電鍍，光刻蝕刻，高精密研磨拋光整個(gè)鏈路，都將在深圳寶安的熱沉工廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。
車(chē)間局部
湃泊熱沉新工廠(chǎng)在寶安建成之后，將極大擴(kuò)充原來(lái)工廠(chǎng)的產(chǎn)能，成為國(guó)內(nèi)熱沉最大的生產(chǎn)供應(yīng)商。新廠(chǎng)開(kāi)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，湃泊科技總經(jīng)理安屹、副總經(jīng)理付靜之致辭，大米創(chuàng)投基金董事長(zhǎng)艾民、東莞市國(guó)資委主任梁燕、深圳寶安區(qū)松崗街道辦書(shū)記張?jiān)且舶l(fā)表講話(huà)，將湃泊科技比喻為中國(guó)“未來(lái)的京瓷”。
展開(kāi) 一種用于服務(wù)器芯片散熱的液冷板實(shí)驗(yàn)研究
芯片是數(shù)據(jù)處理的核心部件，數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)對(duì)服務(wù)器芯片的性能提出了更高的要求。當(dāng)服務(wù)器芯片的工作溫度高于額定工作溫度10 ℃時(shí)，服務(wù)器芯片的可靠性降低到50%。因此，服務(wù)器芯片的熱管理技術(shù)是制約數(shù)據(jù)中心發(fā)展的瓶頸之一。
風(fēng)冷散熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可靠。傳統(tǒng)的低功耗服務(wù)器普遍采用風(fēng)冷方式。然而，對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心而言，風(fēng)冷能耗較高，且其密度低、散熱能力有限。然而，用于液冷的冷卻介質(zhì)比熱容是空氣的1000-3500倍，導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的15-25倍，可以達(dá)到更高的熱流密度散熱。應(yīng)用于服務(wù)器的液冷技術(shù)可分為單相間接液冷、兩相間接液冷、熱管冷卻和浸沒(méi)式液冷。
浸沒(méi)式液體冷卻由于與冷卻介質(zhì)直接接觸，具有極低的熱阻。浸沒(méi)式液冷需要額外的密封手段和一套完整的專(zhuān)用服務(wù)器或機(jī)柜，這給數(shù)據(jù)中心維護(hù)和改造帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。間接液冷技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，可用于新舊數(shù)據(jù)中心的改造。液冷板是間接液冷的關(guān)鍵部件之一。液冷板的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝對(duì)散熱性能有很大影響。
目前微通道成形技術(shù)包括微銑削、微線(xiàn)切割、激光微加工、光刻等。液冷板的焊接方法有回流焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊等。微通道采用電火花線(xiàn)切割加工。雖然微通道液冷板具有優(yōu)良的散熱性能，但微通道液冷板的制造工藝存在一定的弊端。
為了保證良好的密封條件，液冷板需要焊接成一個(gè)整體。大多數(shù)焊接工藝存在成本高、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。即使采用效率更高的回流焊，微通道也容易被焊料堵塞。微通道液冷板制造工藝的缺陷阻礙了其在數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模部署。
02
成果掠影
為了解決服務(wù)器冷卻技術(shù)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、制造周期長(zhǎng)等問(wèn)題，華南理工大學(xué)潘敏強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的加工工藝的液冷板。輥粘工藝起源于制冷行業(yè)的蒸發(fā)器制造工藝。
展開(kāi) 芯片封裝結(jié)構(gòu)的散熱分析
隨著封裝結(jié)構(gòu)越來(lái)越小型化，我們?cè)絹?lái)越需要仔細(xì)評(píng)估芯片封裝結(jié)構(gòu)的散熱效應(yīng)，對(duì)于產(chǎn)品可靠性的影響。以及相關(guān)熱應(yīng)力對(duì)于芯片性能的影響。設(shè)計(jì)出合理的散熱封裝結(jié)構(gòu)可以有效的提高產(chǎn)品性能，本文以常見(jiàn)BGA封裝結(jié)構(gòu)為例，采用ANSYS穩(wěn)態(tài)散熱對(duì)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。雖然模型很簡(jiǎn)單，但是對(duì)于封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)很有幫助。
一、模型
BGA的模型主要有芯片，基板，EMC，焊球，粘結(jié)層等組成，在建模的時(shí)候，我省略了一部分。
二、因主要考慮穩(wěn)態(tài)的散熱問(wèn)題，計(jì)算量不大，因此可以采用全模型進(jìn)行分析。
三、對(duì)以上各層材料都賦予材料參數(shù)，熱導(dǎo)率可由材料供應(yīng)商出獲得；
四、熱源主要為芯片產(chǎn)生的熱，可以根據(jù)功率和芯片面積進(jìn)行換算。本例子中，芯片的熱生產(chǎn)率設(shè)定為0.075w/mm^2;
五、熱對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為2e-4 w/(mm^2*K)
六、模型外面還會(huì)通過(guò)輻射進(jìn)行散熱，可以設(shè)定底部或者上部材料的黑度值為0.9；
七、環(huán)境溫度設(shè)置為22C；
八、計(jì)算的結(jié)果如下：
可以看出，在該工作功率下，芯片的溫升僅為31C。
展開(kāi) 熱仿真-實(shí)測(cè)結(jié)果下對(duì)比集總參數(shù)法與雙熱阻模型 ￥1.9
1、概述
如何有效的發(fā)現(xiàn)、解決封裝芯片的散熱問(wèn)題是封裝技術(shù)發(fā)展的研究方向之一，隨著電子產(chǎn)品的小型化和高性能化，單位面積的功率迅速增加，這對(duì)封裝技術(shù)提出了更高的要求。目前開(kāi)展的建模方式中，大多采用“集總參數(shù)法”對(duì)元器件進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，該方法簡(jiǎn)單快速；另一種方式是建立器件的雙熱阻模型，但需要準(zhǔn)確獲知器件的熱阻值，那兩種方法對(duì)于板級(jí)仿真準(zhǔn)確性如何呢？
基于此，本案例對(duì)比分析了集總參數(shù)法與雙熱阻模型的仿真應(yīng)用，并開(kāi)展了溫度實(shí)測(cè)，討論了不同建模方法與實(shí)測(cè)值的符合性。
2、芯片散熱相關(guān)理論簡(jiǎn)介
2.1 芯片的散熱方式
一般而言封裝芯片的散熱方式也包含了上述三種熱傳遞形式，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式。元器件主要散熱形式和具體的熱設(shè)計(jì)措施有關(guān)，不存在通用的規(guī)律。如下圖所示，為典型封裝芯片的傳熱路徑。
圖1.典型器件散熱形式
2.2 熱阻理論及元器件建模方法
1、集總參數(shù)法
集總參數(shù)法：即設(shè)置物體內(nèi)部單一導(dǎo)熱率、認(rèn)為物體溫度均勻一致的近似分析方法。該方法簡(jiǎn)單、易操作、所需信息少；該方法適用于一般元件，例如電阻、電感等，而對(duì)于器件由于封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料不同，導(dǎo)致封裝不同方向?qū)崧蕰?huì)有較大差異，采用集總參數(shù)法建模，則仿真誤差可能相對(duì)較大，后續(xù)會(huì)做具體對(duì)比分析。
展開(kāi) 芯片PCB板級(jí)熱仿真怎么做？從小米環(huán)形冷泵散熱系統(tǒng)說(shuō)起
通過(guò)這個(gè)技術(shù)小米手機(jī)mix4魔改版實(shí)測(cè)游戲降低了表溫5℃，對(duì)于手機(jī)行業(yè)表面溫度是很重要的，而對(duì)于汽車(chē)電子方面保證芯片的可靠性更為重要，特別是溫度方面。車(chē)規(guī)級(jí)的芯片相對(duì)消費(fèi)級(jí)，從認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試講更為嚴(yán)苛，而且車(chē)內(nèi)環(huán)境溫度高，更是需要考慮各個(gè)芯片是否符合工作預(yù)期。
二、ADAS域控制器散熱設(shè)計(jì)
自動(dòng)駕駛這兩年發(fā)展迅速，配套硬件產(chǎn)品的功耗也在不斷進(jìn)步，從開(kāi)始單一功能的ECU，需要多個(gè)ECU才能實(shí)現(xiàn)ADAS的功能，到集成多種功能的域控制器，特別是承載ADAS的域控制器，ADAS域 L2/L2+的設(shè)備現(xiàn)在也主要采用自然散熱的方式，產(chǎn)品頂部采用較長(zhǎng)的散熱肋片，底部根據(jù)功耗的不同有產(chǎn)品也會(huì)有散熱肋片的設(shè)置。
ADAS域由于SoC計(jì)算量的不一樣，功耗差異明顯，特別是L4，體積限制的，甚至需要水冷才能滿(mǎn)足要求。現(xiàn)在自動(dòng)駕駛AI芯片主要供應(yīng)商有Mobileye、英偉達(dá)、華為和地平線(xiàn)等等，主流乘用車(chē)還是基于L2+域控，基本采用自然散熱方式。
那完整的散熱設(shè)計(jì)流程是怎樣的呢？
1、首先需要對(duì)冷卻方式進(jìn)行評(píng)估，前期概念設(shè)計(jì)時(shí)硬件工程師給出總功耗，根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師給出的邊界，可以計(jì)算出熱流密度或體積功率密度，然后結(jié)果評(píng)估出采用何種散熱方式。接下來(lái)熱設(shè)計(jì)或硬件工程師，評(píng)估選用的主要芯片是否采用額外的散熱措施，具體根據(jù)工作溫度和實(shí)際功耗，以及Rja來(lái)推測(cè)結(jié)溫Tj，是否有超溫風(fēng)險(xiǎn)。一般來(lái)說(shuō)SoC以及熱敏感原件如DDR，需要額外散熱措施，通過(guò)與散熱外殼接觸。
2、對(duì)于PCB元器件的布置，盡量讓主要大功耗元器件分散，熱敏感器件盡量遠(yuǎn)離或者靠邊，元器件的擺放位置可以通過(guò)熱仿真找到最佳的位置，來(lái)保證最低的溫度分布。之后硬件工程師根據(jù)建議進(jìn)行器件的初步擺放，結(jié)構(gòu)工程師對(duì)主要芯片添加散熱凸臺(tái)。
展開(kāi) 
智芯文庫(kù)|封裝行業(yè)正在采用新技術(shù)應(yīng)對(duì)芯片散熱問(wèn)題
這就是為什么許多高級(jí)封裝產(chǎn)品適用于大批量或價(jià)格彈性的組件，例如服務(wù)器芯片。對(duì)具有增強(qiáng)散熱性能的制造工藝的材料需求一直在強(qiáng)勁增長(zhǎng)。
Chiplet模塊仿真與測(cè)試進(jìn)展
工程師們正在尋找新的方法來(lái)在封裝模塊構(gòu)建之前對(duì)封裝可靠性進(jìn)行熱分析。例如，西門(mén)子提供了一個(gè)基于雙 ASIC 的模塊的示例，該模塊包含一個(gè)扇出再分布層 (RDL)，該扇出再分配層 (RDL) 安裝在 BGA 封裝中的多層有機(jī)基板頂部。它使用了兩種模型，一種用于基于 RDL 的 WLP，另一種用于多層有機(jī)基板 BGA。這些封裝模型是參數(shù)化的，包括在引入 EDA 信息之前的襯底層堆疊和 BGA，并支持早期材料評(píng)估和芯片放置選擇。接下來(lái)，導(dǎo)入 EDA 數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)模型，材料圖可以對(duì)所有層中的銅分布進(jìn)行詳細(xì)的熱描述。
量化熱阻
如何通過(guò)硅芯片、電路板、膠水、TIM 或封裝蓋傳遞是眾所周知的。存在標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)跟蹤每個(gè)界面處的溫度和電阻值，它們是溫差和功率的函數(shù)。
“熱路徑由三個(gè)關(guān)鍵值來(lái)量化——從器件結(jié)到環(huán)境的熱阻、從結(jié)到外殼（封裝頂部）的熱阻以及從結(jié)到電路板的熱阻，”
詳細(xì)的熱模擬是探索材料和配置選項(xiàng)的最便宜的方法。“運(yùn)行芯片的模擬通常會(huì)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)熱點(diǎn)，因此我們可以在熱點(diǎn)下方的基板中添加銅以幫助散熱或更換蓋子材料并添加散熱器等。對(duì)于多個(gè)芯片封裝，我們可以更改配置或考慮采用新方法來(lái)防止熱串?dāng)_。有幾種方法可以?xún)?yōu)化高可靠性和熱性能，”
在模擬之后，包裝公司執(zhí)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 以達(dá)到最終的包裝配置。但由于使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)試車(chē)輛的 DOE 步驟耗時(shí)且成本更高，因此首先利用仿真。
選擇 TIM
在封裝中，超過(guò) 90% 的熱量通過(guò)封裝從芯片頂部散發(fā)到散熱器，通常是帶有垂直鰭片的陽(yáng)極氧化鋁基。
展開(kāi) PCB芯片散熱焊盤(pán)如何設(shè)計(jì)？
01
前言
工作中的電路板有許多發(fā)熱比較大的元器件，比如MOS管、LED、三極管，尤其在滿(mǎn)載的情況下更為嚴(yán)重，散熱通孔是眾所周知的一種通過(guò)電路板表面貼裝元件的散熱方法。
在結(jié)構(gòu)上，板上開(kāi)有一個(gè)通孔，如果該板是單層雙面板，則使銅箔連接電路板的頂面和底面，以增加用于散熱的面積和體積，降低熱阻。
在多層板的情況下，熱通孔可以連接多個(gè)層，或者可以?xún)H限于層的部分連接，但是在所有情況下，基本原理都是相同的。
將貼片元件的散熱焊盤(pán)貼片安裝在PCB上，可以降低熱阻。熱阻取決于用于散熱的PCB上銅箔的面積和厚度，以及板的厚度和材料。本質(zhì)上，這些材料越寬越厚，散熱效果就越大。
但銅箔的厚度通常需要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，且不能過(guò)厚。此外，由于微型化仍然是基本設(shè)計(jì)要求，因此PCB的面積應(yīng)依照實(shí)際需求設(shè)計(jì)，實(shí)際的銅箔的厚度也不能做的得非常大，因此當(dāng)PCB超過(guò)一定的單面散熱面積時(shí)，單面電路板散熱效果會(huì)大打折扣。FR-4的導(dǎo)熱系數(shù)非常低。
解決這些問(wèn)題的一種措施是使用熱通孔，通孔是通過(guò)鉆孔和鍍銅而形成的，與PTH或通孔用于層之間的電氣互連的方法相同。為了有效地使用散熱孔，散熱孔應(yīng)靠近加熱元件放置。
如下圖所示，利用了熱平衡的影響，因此很明顯將具有較大溫差的區(qū)域連接起來(lái)效果會(huì)很不錯(cuò)。
02
空心過(guò)孔與填充過(guò)孔影響
空心式通孔相比填充式通孔相比，空心式通孔將導(dǎo)致更高的熱阻。對(duì)于直徑為0.6mm的通孔，使用35 um(1 oz.)鍍銅，垂直于熱焊盤(pán)的面積僅為0.06 mm2，而焊料填充通孔的面積為0.28 mm2，導(dǎo)致熱阻為64°C/W，而填充了焊料則為42°C/W，如果完全填充銅則為14°C/W。
展開(kāi) 一種用于芯片散熱的復(fù)合相變熱界面材料
圖7.采用VASCFs/SR墊片和VASCFs/PA/SR相變熱墊片時(shí)，模擬芯片在加熱功率為30 W時(shí)的溫升曲線(xiàn)(a)和平衡溫度(b)，以及散熱原理示意圖。
END
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基于自主仿真技術(shù)的電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)實(shí)踐
案例4：某芯片散熱器自然對(duì)流散熱仿真
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：
外形復(fù)雜：芯片嵌在基板內(nèi)，散熱翅片結(jié)構(gòu)有多種設(shè)計(jì)
仿真目的：優(yōu)化散熱器設(shè)計(jì)，尋找最優(yōu)解決方案，使散熱器的散熱、重量、成本得到平衡
仿真結(jié)果：
經(jīng)驗(yàn)證，云道電子散熱模塊與國(guó)外主流商軟仿真結(jié)果對(duì)比，監(jiān)控點(diǎn)平均溫度誤差為1.1℃。
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