热仿真在芯片研发中的作用及热阻讲解—为什么任正非说芯片热分析是尖端技术？

随着现代社会的智能化发展，在人类生活的各个角落，无论是汽车电子还是人工智能，再或是AR、VR，以及其他新科技应用领域，半导体芯片都是智能化控制的最基础、最核心的部分。高度集成的封装及电路控制可以帮助人类完成各种各样的工作。

高度集成化的芯片封装

为满足智能化、微型化的需求，芯片被最大程度地封装集成，多个芯片(chip）或并列封装于一个Package中，形成SIP(System In a Package)系统级封装，或进行Stacked堆叠封装,形成堆栈裸片封装。

 SIP系统级封装

Stacked Die堆栈封装示意图

众所周知，当电流流经导体时，必然会生成焦耳热，热量的不平均势必引起导体的热变形等不良现象，那么对于高度集成的芯片封装，在其工作时，芯片内部的热耗势必急剧增大，进而导致芯片内部温度升高，因此在芯片封装的研发过程中，芯片封装的过热问题必须得到良好的控制。

焦耳热引起的导体温升及热变形

     某芯片内部的电流云图、某芯片的温度云图分布

正如华为总裁任正非2018年接受记者采访时讲到“我们把芯片叠起来，但最大的问题是要把两个芯片中间的热量散出来，这也是尖端技术，所以说，热学将是电子工业中最尖端的科学，这方面我们的研究也是领先的，就是太抽象了”，那么在芯片封装的研发过程中，工程师可以使用ANSYS Icepak对芯片封装内部的热流场进行CAE仿真计算，也可以和ANSYS其他模块一起，进行芯片封装的多物理场耦合模拟计算，以便调控热流传递路径，更好地降低芯片Die的温度，提高其热可靠性。下图为某芯片内部的热流密度及温度云图，可以看出，芯片内部的温度极其不均匀。

ANSYS Icepak作为一款优异的电子热仿真软件，可以对芯片封装的各个尺度进行热流仿真计算，小到芯片内部0.25μm的沟道，大到cm厘米级别的封装、芯片，都可以对其进行有效精确的热流仿真计算。当前，在芯片封装的CAE热流计算中，主要是计算了芯片封装放置于JEDEC（美国联合电子设备工程协会）标准机箱内自然冷却、强迫对流情况下的热阻数值。芯片封装内的铜箔布线和过孔，是芯片热流最重要的传热路径，因此在对芯片进行详细的热流计算时，务必导入其布线过孔信息，以提高热仿真计算的精度。

封装的布线分布及精确的导热率云图

芯片封装热流计算常见的几种热阻分类如下：

芯片封装的Rja热阻，表示芯片的结点Junction与外界空气的热阻，单位为℃/W，一般由芯片制造商提供。Rja热阻数值的大小，通常被用来判断芯片散热性能的好坏。下图表示某个芯片的Rja热阻数值（包括自然冷却和强迫风冷）。

某芯片封装的Rja数值

Rja热阻通常包括两种，一种为将芯片放置于JEDEC标准的密闭测试机箱中，芯片通过自然冷却进行散热，即外侧风速为0，计算芯片封装的Rja；另一种为将芯片放置于JEDEC标准的风洞中，通过外界的强迫风冷对芯片进行散热，需要计算不同风速下的芯片Rja热阻，其中风洞垂直距离h应该大于测试电路板流向长度L的2倍，即h>2L。

封装Rja热阻（自然冷却）模型示意图

封装Rja热阻（强迫风冷）模型示意图

芯片Rja热阻的计算公式如下所示：

Rja=（Tj-Ta）/P       

Rja表示芯片结点Junction至环境空气的热阻，℃/W；

Tj表示芯片Die的最高温度，℃；

Ta表示环境的空气温度，℃；

P表示芯片Die的热耗，W；Tj、Ta测量点示意图如下图所示。

 Tj、Ta测量点示意图

进行Rja计算时，芯片务必放置于电路板上，当芯片封装的尺寸小于27mm时，测试电路板的尺寸如下左图所示；当芯片封装尺寸大于等于27mm时，测试电路板的尺寸如下右图所示。

芯片尺寸小于27mm 、芯片尺寸大于等于27mm

• 芯片封装的Rjc热阻，表示芯片封装的结点Die至芯片管壳Case顶部的热阻。将芯片封装放置于四周绝热的环境中，芯片封装仅仅通过管壳的顶部与外接环境进行换热，恒定的换热系数为25w/k.m2。Rjc测试的示意图如下图所示。

Rjc热阻测试示意图

Rjc的计算公式为：

Rjc=（Tj-T_c）/P       

Tj表示芯片Die的最高温度，℃；

Tc表示芯片管壳Case的最高温度，℃；

P表示芯片Die的热耗，W。

• 芯片封装的Rjb热阻，表示芯片封装的结点Die至电路板Board的热阻，其真实的测试示意图下图所示。芯片封装放置于Pcb电路板上，电路板长、宽方向的尺寸均大于芯片封装5mm，将芯片和电路板放置于密闭的空间内，电路板四周的面处于恒定的温度，芯片封装的热量只能通过电路板传导至电路板四周恒温的壁面。

Rjb热阻测试示意图

芯片封装Rjb的计算公式为:

Rjb=（Tj-T_b）/P       

Tj表示芯片Die的最高温度，℃；

Tb表示电路板board的温度，℃；

P表示芯片Die的热耗，W。

因此，使用ANSYS Icepak可以精确地计算芯片封装内部的热流分布，计算不同工况下的热阻数值，方便工程师洞悉芯片内部的热流路径，以进一步改善芯片的热流环境，提高其热可靠性。

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