專欄 l 熱仿真在晶片研發中的作用

2019-08-16     文章出處：3D科學谷
3D列印在晶片領域的一個經典應用是美國空軍研究實驗室（AFRL）和美國半導體通過3D列印製造的柔性矽晶片。新晶片的存儲容量比任何同類產品大7,000倍，使其適合作為微控制器集成到其他物體中。
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3D列印的矽晶片
而國內武漢大學採用金屬有機框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作為原料，利用雷射成功製備了顆粒大小均一的金屬納米晶粒。通過程序控制雷射的開閉和光斑的移動實現了圖案的製備，僅數十秒即可列印出由金屬納米晶粒構成的晶圓級別大小的晶片，整個過程完全在空氣中進行，所需雷射功率不到5瓦，適合規模化生產。

3D列印在電子領域的應用。來源：3D科學谷《3D列印與電子產品白皮書 1.0》
而對於晶片的開發來說，除了具備材料技術以及3D列印的經驗，熱仿真是關鍵的一環。本期，谷.專欄通過安世亞太的仿真專家分享《熱仿真在晶片研發中的作用》以呈現晶片開發的別有洞天。
隨著現代社會的智能化發展，在人類生活的各個角落，無論是汽車電子還是人工智慧，再或是AR、VR，以及其他新科技應用領域，半導體晶片都是智能化控制的最基礎、最核心的部分。高度集成的封裝及電路控制可以幫助人類完成各種各樣的工作。
使用ANSYS Icepak可以精確地計算晶片封裝內部的熱流分布，計算不同工況下的熱阻數值，方便工程師洞悉晶片內部的熱流路徑，以進一步改善晶片的熱流環境，提高其熱可靠性。
洞悉晶片散熱的別有洞天
為滿足智能化、微型化的需求，晶片被最大程度地封裝集成，多個晶片(chip）或並列封裝於一個Package中，形成SIP(System In a Package)系統級封裝，或進行Stacked堆疊封裝,形成堆棧裸片封裝。

高度集成化的晶片封裝。來源：安世亞太

SIP系統級封裝。來源：安世亞太

Stacked Die堆棧封裝示意圖。來源：安世亞太
眾所周知，當電流流經導體時，必然會生成焦耳熱，熱量的不平均勢必引起導體的熱變形等不良現象，那麼對於高度集成的晶片封裝，在其工作時，晶片內部的熱耗勢必急劇增大，進而導致晶片內部溫度升高，因此在晶片封裝的研發過程中，晶片封裝的過熱問題必須得到良好的控制。

焦耳熱引起的導體溫升及熱變形。來源：安世亞太

某晶片內部的電流雲圖某晶片的溫度雲圖分布。來源：安世亞太
正如華為總裁任正非2018年接受記者採訪時講到「我們把晶片疊起來，但最大的問題是要把兩個晶片中間的熱量散出來，這也是尖端技術，所以說，熱學將是電子工業中最尖端的科學，這方面我們的研究也是領先的，就是太抽象了」，那麼在晶片封裝的研發過程中，工程師可以使用ANSYS Icepak對晶片封裝內部的熱流場進行CAE仿真計算，也可以和ANSYS其他模塊一起，進行晶片封裝的多物理場耦合模擬計算，以便調控熱流傳遞路徑，更好地降低晶片Die的溫度，提高其熱可靠性。下圖為某晶片內部的熱流密度及溫度雲圖，可以看出，晶片內部的溫度極其不均勻。

ANSYS Icepak作為一款優異的電子熱仿真軟體，可以對晶片封裝的各個尺度進行熱流仿真計算，小到晶片內部0.25μm的溝道，大到cm厘米級別的封裝、晶片，都可以對其進行有效精確的熱流仿真計算。當前，在晶片封裝的CAE熱流計算中，主要是計算了晶片封裝放置於JEDEC（美國聯合電子設備工程協會）標準機箱內自然冷卻、強迫對流情況下的熱阻數值。晶片封裝內的銅箔布線和過孔，是晶片熱流最重要的傳熱路徑，因此在對晶片進行詳細的熱流計算時，務必導入其布線過孔信息，以提高熱仿真計算的精度。

晶片封裝熱流計算常見的幾種熱阻分類如下：
- 晶片封裝的Rja熱阻，表示晶片的結點Junction與外界空氣的熱阻，單位為℃/W，一般由晶片製造商提供。Rja熱阻數值的大小，通常被用來判斷晶片散熱性能的好壞。下圖表示某個晶片的Rja熱阻數值（包括自然冷卻和強迫風冷）。

某晶片封裝的Rja數值。來源：安世亞太
Rja熱阻通常包括兩種，一種為將晶片放置於JEDEC標準的密閉測試機箱中，晶片通過自然冷卻進行散熱，即外側風速為0，計算晶片封裝的Rja；另一種為將晶片放置於JEDEC標準的風洞中，通過外界的強迫風冷對晶片進行散熱，需要計算不同風速下的晶片Rja熱阻，其中風洞垂直距離h應該大於測試電路板流向長度L的2倍，即h>2L。

封裝Rja熱阻（自然冷卻）模型示意圖。來源：安世亞太

封裝Rja熱阻（強迫風冷）模型示意圖。來源：安世亞太
晶片Rja熱阻的計算公式如下所示：
Rja=（Tj-Ta）/P
Rja表示晶片結點Junction至環境空氣的熱阻，℃/W；
Tj表示晶片Die的最高溫度，℃；
Ta表示環境的空氣溫度，℃；
P表示晶片Die的熱耗，W；Tj、Ta測量點示意圖如下圖所示。

Tj、Ta測量點示意圖。來源：安世亞太
進行Rja計算時，晶片務必放置於電路板上，當晶片封裝的尺寸小於27mm時，測試電路板的尺寸如下左圖所示；當晶片封裝尺寸大於等於27mm時，測試電路板的尺寸如下右圖所示。

晶片尺寸小於27mm（左），晶片尺寸大於等於27mm（右）。來源：安世亞太
- 晶片封裝的Rjc熱阻，表示晶片封裝的結點Die至晶片管殼Case頂部的熱阻。將晶片封裝放置於四周絕熱的環境中，晶片封裝僅僅通過管殼的頂部與外接環境進行換熱，恆定的換熱係數為25w/k.m2。Rjc測試的示意圖如下圖所示。

Rjc熱阻測試示意圖。來源：安世亞太
Rjc的計算公式為：
Rjc=（Tj-T_c）/P
Tj表示晶片Die的最高溫度，℃；
Tc表示晶片管殼Case的最高溫度，℃；
P表示晶片Die的熱耗，W。
- 晶片封裝的Rjb熱阻，表示晶片封裝的結點Die至電路板Board的熱阻，其真實的測試示意圖下圖所示。晶片封裝放置於Pcb電路板上，電路板長、寬方向的尺寸均大於晶片封裝5mm，將晶片和電路板放置於密閉的空間內，電路板四周的面處於恆定的溫度，晶片封裝的熱量只能通過電路板傳導至電路板四周恆溫的壁面。

Rjc熱阻測試示意圖。來源：安世亞太
晶片封裝Rjb的計算公式為:
Rjb=（Tj-T_b）/P
Tj表示晶片Die的最高溫度，℃；
Tb表示電路板board的溫度，℃；
P表示晶片Die的熱耗，W。
因此，使用ANSYS Icepak可以精確地計算晶片封裝內部的熱流分布，計算不同工況下的熱阻數值，方便工程師洞悉晶片內部的熱流路徑，以進一步改善晶片的熱流環境，提高其熱可靠性。
關於3D列印在電子結構件領域的應用，請參考《3D列印與電子產品白皮書》。
王永康
北京科技大學工程熱物理專業碩士，現任安世亞太科技股份有限公司ANSYS Icepak產品經理；工作至今，做過數十個電子產品熱設計優化的諮詢項目；擅長電子產品熱設計基礎理論培訓、ANSYS Icepak軟體基礎培訓、ANSYS Icepak軟體高級培訓、電子產品熱設計導航培訓、電子產品熱設計優化諮詢等領域。