如何破解芯片封裝熱仿真技術(shù)“卡脖子”難題？

熱設(shè)計(jì)網(wǎng) 2023-09-08

手機(jī)、電腦、智能家電等智能化設(shè)備都離不開(kāi)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(wèn)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(kāi)始生產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)熱問(wèn)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(kāi)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(zhuān)用熱仿真模塊，內(nèi)置電子產(chǎn)品專(zhuān)用零部件模型庫(kù)，支持用戶(hù)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(wèn)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(chē)、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

點(diǎn)擊圖片獲取產(chǎn)品資料

現(xiàn)階段，各類(lèi)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。

對(duì)于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結(jié)到環(huán)境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結(jié)到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結(jié)到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。其中Rja與器件所處的環(huán)境有關(guān)，且器件規(guī)格書(shū)中的規(guī)定值一般為生產(chǎn)商基于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測(cè)試，而往往實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境差別較大，Rja很難應(yīng)用于芯片結(jié)溫預(yù)計(jì)，更多的應(yīng)用于定性對(duì)比不同封裝芯片的散熱能力。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，更多的采用結(jié)殼熱阻Rjc和結(jié)板熱阻Rjb評(píng)價(jià)器件的散熱能力，由此便產(chǎn)生了雙熱阻模型。

在建立雙熱阻模型時(shí)一般做如下假設(shè)：

①結(jié)點(diǎn)熱量?jī)H存在兩條散熱途徑：通過(guò)上表面?zhèn)鬟f到空氣中或散熱器上，通過(guò)下表面?zhèn)鬟f到PCB板上；

②上下表面為等溫面，不發(fā)生熱量傳遞；

③結(jié)點(diǎn)熱量不通過(guò)側(cè)面?zhèn)鬟f。

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(wèn)題”

仿真分析

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(wèn)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。

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(shù)

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(mǎn)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(lèi)型為穩(wěn)態(tài)、流熱耦合計(jì)算。后處理結(jié)果可以通過(guò)云圖、流線圖、切片以及表格統(tǒng)計(jì)的形式進(jìn)行直觀展示，同時(shí)使用方可以根據(jù)這些結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)評(píng)估，后處理結(jié)果如下圖所示：

溫度云圖、流線圖

Z方向切片溫度云圖、流線圖

Y方向切片溫度云圖、流線圖

雙熱阻封裝計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

電路板計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本案例采用導(dǎo)熱+對(duì)流的形式進(jìn)行散熱，芯片的熱量分別通過(guò)散熱片和電路板進(jìn)行導(dǎo)熱，而后風(fēng)扇把散熱齒片和電路板上的熱量通過(guò)對(duì)流方式帶走。通過(guò)以上溫度云圖、流線圖以及統(tǒng)計(jì)表格可以得知，在30℃環(huán)境溫度下，主芯片殼溫溫升11.37℃，最終溫度達(dá)到41.37℃；結(jié)溫溫升為21.6℃，最終溫度達(dá)到51.6℃。結(jié)溫溫度明顯低于規(guī)格書(shū)要求的最高結(jié)溫不超過(guò)85℃的要求，說(shuō)明本案例的散熱設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足散熱要求，能夠保障芯片穩(wěn)定可靠的工作。

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