芯片封裝熱阻仿真計(jì)算案例

半導(dǎo)體芯片熱痛點(diǎn)介紹

半導(dǎo)體技術(shù)按摩爾定理的發(fā)展，集成電路的密度將越來越高，且尺寸越來越小。所有芯片工作時(shí)都會(huì)發(fā)熱，熱量的累積必導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)溫度的升高，隨著結(jié)點(diǎn)溫度提高，半導(dǎo)體元器件性能將會(huì)下降，甚至造成損害。因此每個(gè)芯片廠家都會(huì)規(guī)定其半導(dǎo)元體器件的最大結(jié)點(diǎn)溫度。

如今，在高速的集成電路中，芯片的功耗大，在自然條件下的散熱已不能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過允許工作溫度，因此就需要考慮芯片的散熱問題。為了保證元器件的結(jié)溫低于最大允許溫度，經(jīng)由封裝進(jìn)行的從 IC 自身到周圍環(huán)境的有效散熱就至關(guān)重要。

案例提要

本章以芯片封裝為案例，說明如何利用Ansys Icepak計(jì)算IC封裝的Rja?(芯片Die與空氣間的熱阻)、Rjb (芯片Die與電路板間的熱阻)及Rjc?(芯片Die與封裝表面間的熱阻)。

針對(duì)封裝熱阻而言，計(jì)算放置于JEDEC(美國聯(lián)合電子設(shè)備工程協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱內(nèi)自然對(duì)流及強(qiáng)制隊(duì)留下的熱阻數(shù)據(jù)。部分內(nèi)容參照了JEDEC測試系列的表準(zhǔn)[JESD51]。Ansys Icepak為了仿JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測試規(guī)范，所有設(shè)置皆按JESD51設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)與進(jìn)行。

方案重點(diǎn):

通過JEDEC標(biāo)準(zhǔn)仿真出芯片的Rja、Rjb及Rjc。

導(dǎo)入芯片封裝ECAD →?Compact + ECAD (非采用Icepak/JEDEC中Detail模型)

JEDEC是什么？

JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）是一個(gè)推動(dòng)半導(dǎo)體元器件領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化的行業(yè)組織。半導(dǎo)體制造商以及電力電子領(lǐng)域的從業(yè)者不可避免地會(huì)涉及到很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。作為大原則，無論熱相關(guān)的項(xiàng)目還是其他項(xiàng)目，其測試方法和條件等都要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其原因不言而喻：因?yàn)槿绻椒ê蜅l件各不不同，就無法比較和判斷好壞。

在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中，與“熱”相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)：

JESD51系列：包括IC等的封裝的“熱”相關(guān)的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

JESD15系列：對(duì)仿真用的熱阻模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

JESD51-2A中規(guī)定了熱阻測試環(huán)境。以下是符合JESD51-2A的熱阻測試環(huán)境示例。

熱阻概念

熱阻值可用于評(píng)估電子封裝的散熱效能，是熱傳設(shè)計(jì)中一個(gè)相當(dāng)重要的參數(shù)，有助芯片的散熱設(shè)計(jì)。熱阻值關(guān)系定義如下：

熱阻值一般常用R或θ表示，其中Tj為接面位置的溫度(JunctionTemperature)；Tx為熱傳到某點(diǎn)位置的溫度，例如環(huán)境溫度(AmbientTemperature)；P 為輸入的發(fā)熱功率。熱阻大表示熱不容易傳遞，因此組件所產(chǎn)生的溫度就比較高。

由熱阻可以判斷及預(yù)測組件的發(fā)熱狀況。電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，為了預(yù)測及分析組件的溫度，需要使用熱阻值的數(shù)據(jù)，因而組件設(shè)計(jì)者則除了需提供良好散熱設(shè)計(jì)產(chǎn)品，更需提供可靠的熱阻數(shù)據(jù)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)之用。

JEDEC Board Size

(芯片大于等于或小于27mm)

當(dāng)Macro中的JEDEC設(shè)置完成后，Icepak會(huì)自動(dòng)把測試模型建立出來，其中Board Size有兩種可能。

當(dāng)測試芯片尺寸小于27mm，Board Size=114.3mm*76.2mm

當(dāng)測試芯片尺寸大于/等于27mm，Board Size=114.3mm*101.6mm

JEDEC IC ThermalResistance Test

芯片封裝Rja的仿真計(jì)算

本案例IC封裝尺寸取14.06mm×14.06mm×2.15mm(屬于小于27mm的芯片)，焊球個(gè)數(shù) = 272顆/環(huán)境溫度20C/ICDie發(fā)熱功率=1.0W。

產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)JEDEC測試腔體 (包含放置IC的Board)，組件內(nèi)的材料參數(shù)已默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)屬性，不需另外設(shè)置。

為了詳細(xì)仿真芯片封裝熱組參數(shù)，建立的熱模型建議導(dǎo)入ECAD設(shè)計(jì)的封裝模型。

為了環(huán)境空間的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置達(dá)450萬；環(huán)境20C。

結(jié)果

根據(jù)上面結(jié)果，芯片封裝Die的最高溫度為53.26C，得到Rja如下：

風(fēng)速, m/s	0, 自然對(duì)流	1, 強(qiáng)制對(duì)流	2, 強(qiáng)制對(duì)流	3, 強(qiáng)制對(duì)流
? ? ?Tj	53.26	49.86	48.12	47.14
熱阻, oC/W	33.26	29.86	28.12	27.14

Rjc及Rjb概念也如上有極為雷同之處，唯一特別要注意其于JEDEC中的模型規(guī)范。

審核編輯：劉清

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集成電路(352199) 集成電路(352199)
IC封裝(26456) IC封裝(26456)
JEDEC(17334) JEDEC(17334)
半導(dǎo)體器件(31456) 半導(dǎo)體器件(31456)

評(píng)論

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2014-11-05 16:53:32

測量小型封裝芯片溫度的4個(gè)方法

： TJ = TA + PD?JA 結(jié)溫 TJ 等于環(huán)境溫度 TA 加上器件功耗 PD 與器件熱阻 θJA 的乘積。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，這種計(jì)算相當(dāng)保守，得到的結(jié)溫大約比實(shí)際結(jié)溫高出 30%～50%，具體情況

2020-09-24 07:19:50

電子封裝和熱沉用鎢銅材料

隨著大規(guī)模集成電路和大功率電子器件的發(fā)展,20世紀(jì)90年代鎢銅材料作為新型電子封裝和熱沉材料得到了發(fā)展,并以其明顯的優(yōu)勢得到日益廣泛的應(yīng)用。目前鎢銅材料主要用于大規(guī)模集成電路和大功率微波器中作為基片

2010-05-04 08:07:13

電子熱設(shè)計(jì)分析

T0-220封裝的結(jié)-環(huán)境熱阻是50°C/W。因此，假定45°C/W的差值是殼至環(huán)境的熱阻值。在示例的電路中，這個(gè)值被指定為散熱器熱阻值。如果使用實(shí)際的散熱器，則采用發(fā)布的熱阻值?！　∪绻峁┝松崞鞯臒崛葜?/div>

2018-10-17 11:43:12

電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)

，芯片功耗20W，芯片表面不能超過85℃，最高環(huán)境溫度55℃，計(jì)算所需散熱器的熱阻R。計(jì)算：實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻近似為0.1℃/W，則(R+0.1)=(85-55) ℃/20W，則R=1.4℃/W

2018-01-13 19:44:10

電機(jī)熱功率應(yīng)該如何計(jì)算呢？

電機(jī)熱功率應(yīng)該如何計(jì)算呢？強(qiáng)制風(fēng)冷的選型如何選擇呢？和電機(jī)的熱功率又有什么樣的聯(lián)系呢？

2023-11-24 06:54:24

電機(jī)中的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型該怎么建立

前言這篇詳細(xì)的介紹了電機(jī)中的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型該怎么建立，雖然是以某一個(gè)特定的永磁同步電機(jī)為例子，但是把它的思路給領(lǐng)會(huì)到了，在刻畫其他模型的時(shí)候就是舉一反三的事。再次感謝《基于熱阻網(wǎng)絡(luò)法的電機(jī)溫度場分析

2021-08-30 07:42:36

電源芯片型號(hào)選取要考慮的要點(diǎn)是什么

為了解決芯片的散熱問題，就不斷提高生產(chǎn)工藝，降低熱阻，同時(shí)也不斷通過技術(shù)層面提高芯片效率從而減少發(fā)熱量。這句話讓我們可以知道首先產(chǎn)生發(fā)熱的根源在于效率不高，其次解決的辦法有提高效率和降低器件熱阻兩種

2021-11-17 07:36:36

紅外熱釋電處理芯片BISS0001

我想找BISS0001熱釋電處理芯片的PROTEUS仿真元件，但是在網(wǎng)上找了很久都沒找到。希望高手們能幫幫忙。

2014-09-12 11:31:37

英飛凌以塑封料溫度測量為基礎(chǔ)的一種結(jié)溫計(jì)算方法

分析圖5顯示了結(jié)到管殼的熱阻Rth(j-c)和管殼到環(huán)境的熱阻Rth(c-a)相對(duì)于芯片面積和封裝類型的計(jì)算值。芯片面積的范圍從0.25mm2到33.5mm2，封裝為TO220和TO247。圖5

2018-12-03 13:46:13

詳解芯片的結(jié)溫

芯片和封裝、周圍環(huán)境之間的溫度差按以下公式進(jìn)行計(jì)算。其中項(xiàng)目解說θｊａ結(jié)溫（Ｔｊ）和周圍溫度（Ｔａ）之間的熱阻ψｊｔ結(jié)溫（Ｔｊ）和封裝外殼表面溫度（Ｔｃ 1）之間的熱阻θｊｃ結(jié)溫（Ｔｊ）和封裝外殼背面

2019-09-20 09:05:08

詳解發(fā)光二極管封裝

封雙列直插式封裝——用類似IC封裝的銅質(zhì)引線框架固定芯片，并焊接電極引線后用透明環(huán)氧包封，常見的有各種不同底腔的“食人魚”式封裝和超級(jí)食人魚式封裝，這種封裝芯片熱散失較好，熱阻低，LED的輸入功率可達(dá)0.1W

2017-12-11 09:42:36

請(qǐng)問做BGA封裝焊盤要做阻焊嗎？

做BGA封裝焊盤要做阻焊嗎？要選那個(gè)？

2019-07-22 01:44:50

請(qǐng)問八角封裝的串阻怎么做？

大家有沒有做過八角封裝的串阻，怎么做？為什么要做成八角？

2018-12-25 09:11:24

請(qǐng)問如何計(jì)算跨阻運(yùn)放應(yīng)用的噪聲大?。╒rms）？

請(qǐng)問如何計(jì)算跨阻運(yùn)放應(yīng)用的噪聲大?。╒rms）；我猜想，噪聲大小與增益G和帶寬大小有關(guān)。謝謝！

2023-11-16 07:43:39

誰能提供一個(gè)0805排阻的adpcb封裝給我

誰能提供一個(gè)0805排阻的ad9pcb封裝給我，8排或者16排的，謝謝了！如果沒請(qǐng)好心的人提供一下相應(yīng)的尺寸！謝謝了！

2013-10-06 00:10:33

連接器的熱設(shè)計(jì)與熱仿真和熱測試

分布?！　‰S著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算法在熱學(xué)方面的發(fā)展，計(jì)算機(jī)熱仿真技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)熱仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立被仿真系統(tǒng)的模型，在一定的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)

2020-07-07 17:14:14