基于雙熱阻模型的典型芯片封裝熱分析及評估方法

申海東，張澤，陳科雯，歐永

（1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣州 510610；3. 電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術(shù)國家地方聯(lián)合工程中心，廣州 510610；4. 廣東省智能機(jī)器人可靠性工程技術(shù)研究中心，廣州 510610；5. 泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 泰州 225500）

如何有效地發(fā)現(xiàn)、解決封裝芯片的散熱問題是封裝技術(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，電子產(chǎn)品組裝密度越來越高，而面臨的處理任務(wù)也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致在日益減少的封裝尺寸下，單位面積的功率迅速增加，這對封裝技術(shù)提出了更高的要求[1-2]。為了研究芯片的散熱問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在借助熱仿真技術(shù)解決產(chǎn)品的熱設(shè)計問題方面做了大量應(yīng)用研究[3-5]，然而在應(yīng)用仿真技術(shù)時，如何建立準(zhǔn)確合理的仿真模型，是困擾仿真技術(shù)順利實施的問題之一。如果詳細(xì)了解芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝工藝，建立接近實際的芯片詳細(xì)結(jié)構(gòu)熱模型，則建模難度大，計算資源需求高，且往往芯片封裝內(nèi)部的結(jié)構(gòu)由于廠家的保密性原因很難獲得詳細(xì)參數(shù)。也有較多學(xué)者研究分析了熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的建模方法[6-9]，該方法能最大程度反映器件的實際熱流路徑，但該方法需要建立多個熱阻模型，參數(shù)獲取難度較大，較難在工程應(yīng)用中推廣。因此，目前開展的建模方式中，大多采用“集總參數(shù)法”對元器件進(jìn)行簡化建模[10]，該方法簡單快速，但該建模方法應(yīng)用存在一定局限性，尤其對于熱導(dǎo)率分布不均勻器件，其仿真誤差相對較大。

基于此，文中研究分析了基于雙熱阻模型的典型芯片封裝的建模方法，并基于項目案例進(jìn)行了實際應(yīng)用。與集總參數(shù)法的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比評價，分析了雙熱阻模型建模仿真方法的優(yōu)越性。

1 芯片散熱相關(guān)理論簡介

1.1 傳熱基本理論

任意兩個不同物體之間以及同一物體間的不同溫度區(qū)域都會存在熱量傳遞現(xiàn)象，傳熱學(xué)研究的核心內(nèi)容為熱量傳遞的規(guī)律。熱量傳遞的三種方式為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，分別遵循傅里葉定律、牛頓冷卻定律和斯蒂芬-玻爾茲曼定律。

1.2 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)、熱對流和熱輻射三種方式。不同環(huán)境下，其主要散熱形式存在差異。對于自然冷卻的封裝芯片而言，其主要傳熱形式為熱傳導(dǎo)；對于強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備中的典型封裝芯片，主要傳熱形式為熱對流；對于特殊的太空環(huán)境而言，此時其主要傳熱形式為熱傳導(dǎo)和熱輻射。當(dāng)然其主要散熱形式和具體的熱設(shè)計措施有關(guān)，不存在通用的規(guī)律。圖1所示為典型封裝芯片的傳熱路徑。

2 熱阻理論及元器件建模方法

2.1 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。該方法簡單、易操作、所需信息少，適用于一般元件，例如電阻、電感等。對于器件而言，由于封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料的不同，導(dǎo)致封裝不同方向?qū)崧蕰休^大差異。采用集總參數(shù)法建模，則仿真誤差可能相對較大，后續(xù)會作具體對比分析。

2.2 雙熱阻模型建模法

2.2.1 熱阻簡介

熱阻表示介質(zhì)吸收1 W熱量后對應(yīng)的溫升，單位為 K/W 或℃/W。熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞，與電阻定義類似，熱阻與介質(zhì)的材料參數(shù)和幾何參數(shù)存在關(guān)系式：

式中：R為熱阻；λ為平板物體材料熱導(dǎo)率；A為平板垂直于熱流方向的截面積；b為平板在傳熱路徑上的厚度。

2.2.2 雙熱阻模型的定義

對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)格書中的規(guī)定值一般為生產(chǎn)商基于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試[11]所得。而往往實際應(yīng)用環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境差別較大，Rja很難應(yīng)用于芯片結(jié)溫預(yù)計，更多地應(yīng)用于不同封裝芯片間的橫向比較，定性對比不同封裝芯片的散熱能力。因此，在實際應(yīng)用時，更多地采用結(jié)殼熱阻Rjc和結(jié)板熱阻Rjb評價器件的散熱能力，由此便產(chǎn)生了雙熱阻模型。

在建立雙熱阻模型時一般作如下假設(shè)。

1）結(jié)點熱量僅存在兩條散熱途徑：通過上表面?zhèn)鬟f到空氣中或散熱器上，通過下表面?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）側(cè)面為絕熱面，即結(jié)點熱量不通過側(cè)面?zhèn)鬟f。

雙熱阻模型如圖3所示，包括3個節(jié)點，2個熱阻。其中3個節(jié)點為分別為殼節(jié)點、結(jié)節(jié)點（Die 功耗產(chǎn)生的位置）和板節(jié)點，其代表了芯片的主要傳熱路徑。

對于雙熱阻模型中的熱阻值都能通過對應(yīng)的實驗測試得到，其中Rjb的測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)JESD 51-8[12-13]，Rjc的測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) JESD 51-12[14]。由此便可以構(gòu)建芯片的雙熱阻模型，且一般器件生產(chǎn)商會在規(guī)格書中給出這三個參數(shù)，從而極大地降低了雙熱阻模型在熱仿真試驗中的應(yīng)用難度。

3 應(yīng)用

3.1 元器件建模

文中以某公司 ECU上器件 U2為例，基于上述兩種不同方法建立了元器件熱仿真分析模型。其中基于集總參數(shù)法，器件為塑封材料，選用材料為軟件器件庫中Typical Plastic Package（典型塑封材料），材料參數(shù)見表1（其中熱容參數(shù)僅影響瞬態(tài)計算結(jié)果）?；陔p熱阻模型的建模方式，需要獲取器件相應(yīng)熱阻值，根據(jù)U2器件的Datasheet查找到該器件的熱阻值見表2。

表1 材料參數(shù)

表2 U2熱阻值

基于上述參數(shù)，建立元器件的等效模型如圖4所示。從圖4b中可以看出，基于雙熱阻模型的U2熱仿真模型明顯分為上下兩層，表示為不同的熱阻材質(zhì)；而基于集總參數(shù)的等效模型則為一個整體等效塊。該項目中，整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為全密閉機(jī)盒，該器件的散熱方式除通過PCB板散熱，另外在器件上表面有導(dǎo)熱墊與外殼相連，借助外殼進(jìn)行散熱，如圖5所示。

3.2 仿真環(huán)境建模

為了對比分析仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展了溫度實測試驗，為了保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定性，該實測試驗在高溫試驗箱中開展，環(huán)境溫度為90 ℃。試驗由產(chǎn)品生產(chǎn)商負(fù)責(zé)開展，采用熱電偶貼裝監(jiān)控U2器件的焊盤溫度和殼溫，且在進(jìn)行仿真分析時發(fā)現(xiàn)是否準(zhǔn)確構(gòu)建試驗箱等效模型，對仿真試驗結(jié)果影響較大。圖6a為高溫試驗箱示意圖，產(chǎn)品件僅作為位置示意，用于保證仿真模型的擺放位置和實測一致，不代表實際產(chǎn)品。構(gòu)建的試驗箱等效模型如圖6b所示。

3.3 結(jié)果分析與評價

3.3.1 實測環(huán)境建模

當(dāng)產(chǎn)品位于試驗箱進(jìn)行實測試驗時，由于目前絕大數(shù)試驗箱的工作原理是通過對氣體加熱制冷從而對箱內(nèi)溫度進(jìn)行控制，因此試驗箱內(nèi)部存在一定的風(fēng)速，由此導(dǎo)致產(chǎn)品的外殼散熱方式由自然對流轉(zhuǎn)化為強(qiáng)迫對流。如果在仿真計算中僅控制環(huán)境溫度為 90℃，而忽略試驗箱內(nèi)部風(fēng)速的影響，則計算結(jié)果誤差較大。未考慮試驗箱環(huán)境時，其元器件溫度如圖7所示，元器件溫度對比見表3。由結(jié)果可知，器件溫度明顯偏高，仿真誤差較大。

表3 U2溫度對比

3.3.2 不同建模方式試驗

該項目環(huán)境溫度為90 ℃，經(jīng)過仿真計算，在保證其他條件一致的情況下獲得兩種不同建模方式下的計算結(jié)果見表4，器件分布云圖如圖8所示。

表4 器件溫度對比

由仿真結(jié)果可得，基于雙熱阻建模方法的器件U2焊盤溫度為131 ℃，殼溫為119 ℃，導(dǎo)熱墊下表面溫度為118 ℃，器件焊盤溫度與殼溫、導(dǎo)熱墊溫差較大。依據(jù) U2元器件規(guī)格書，結(jié)殼熱阻 Rjc為21 ℃/W，結(jié)板熱阻Rjb為1 ℃/W，差距較大。U2器件主要通過 PCB板散熱，熱仿真結(jié)果也較好地反映了器件的實際熱分布。且由圖 8a可知，焊盤溫度相對較高，應(yīng)加強(qiáng)U2器件PCB區(qū)域的散熱能力，降低器件焊盤溫度，縮小與封裝上表面溫差。

基于集總參數(shù)建模方法的器件焊盤溫度為128 ℃，殼溫為127 ℃，導(dǎo)熱墊下表面溫度為123 ℃，三者溫差較小，整體誤差相對較大。另一方面，由U2器件溫度分布云圖8b也可發(fā)現(xiàn)，U2整體溫度趨近一致，與器件的實際熱分布誤差較大，從而難以準(zhǔn)確評價器件的散熱措施的有效性。

綜上所述，基于雙熱阻模型的建模方法，器件仿真溫度準(zhǔn)確性更高，且能較好反映器件的實際熱分布，從而能更好地評價器件的散熱措施，發(fā)現(xiàn)熱設(shè)計缺陷。而集總參數(shù)法在文中的應(yīng)用項目中，器件的仿真溫度誤差相對較大，尤其是器件殼溫誤差較大，且器件仿真溫度分布云圖也與實際情況差異較大，難以準(zhǔn)確評估器件的散熱措施是否合理。

4 結(jié)論

1）簡述了元器件集總參數(shù)建模法和雙熱阻模型的概念界定。

2）研究分析了雙熱阻模型的建模方法和應(yīng)用范圍。

3）以某ECU為例分別建立了U2器件的雙熱阻模型和集總參數(shù)模型，并對比評估了兩者熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4）建立了考慮試驗箱環(huán)境和不考慮試驗箱環(huán)境的仿真模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了評價。