芯片封装热仿真详解

本文来给大家讲一讲封装级热仿真的方法以及需要注意的问题。芯片封装热仿真之所以重要，主要有以下两个原因。

首先，在一个大外形、大功率芯片（例如片上系统 SoC）设计中，如果不考虑散热问题，则很可能在以后会出现问题，导致其无论从成本、尺寸、重量还是性能方面来看，均不能称为理想的封装解决方案。

其次，虽然在以往的IC设计中都已考虑到芯片温度要均匀，但是在许多情况下，这已不再是一个有效的假设了。电流泄漏导致的发热使功率耗散不均匀，加上使用更薄的芯片（现在已小于 50µm），更是降低了芯片自身的热扩散能力。这两种原因使得芯片上温度变化更大。

设计三维叠层集成电路等多晶粒芯片时，芯片封装热仿真设计就显得必不可少。热传递是高度的三维现象，封装温度的分布会影响芯片上的温度分布。

本文以SOP封装为例，介绍使用Flotherm对芯片封装进行热仿真分析及优化的流程。仿真目标是确定保证芯片结温低于150℃且热量能够正常耗散的最大功耗值。SOP封装的尺寸如下图所示。

SOP封装在PCB板上的安装形式及测温点的位置如下图所示。分别对没有散热器和有散热器两种情况进行仿真，在有散热器的情况下在PCB板和散热器基板之间有导热胶进行连接。 

仿真使用的PCB板为59x61mm的6层板，假设每层的覆铜率在每层内分布是均匀的。基于该假设，根据每层的覆铜率计算该层的热传导系数，如下表。

首先，对没有安装散热器的情况进行仿真，封装安装在板的主面，copper slug焊接在板子上，环境温度为85℃。下图为仿真结果。仿真热耗为2w，die attach的热导率为1.6W/mK。如果把die attach换成导热性能更好的材料（热导率为50W/Mk），结壳热阻值会有明显的降低，由6.61℃/W降低到1.12℃/W。

 

然后，对安装了散热器的情况进行仿真，散热器安装在板的底面，板和散热器之间有导热胶。安装散热器散热效果有显著改善，结到环境的热阻从16℃/W降低到5.73℃/W。封装截面的热通量云图如下图所示，能明显看出封装内的热量通过散热器更大的表面积耗散出去。

 

下表是对有散热器和无散热器两种情况的对比，两种情况都对ablebond、cookson两种材料的die attach进行了研究。不同工况下允许的芯片最大功耗值如下。对有无散热器这两种情况下SOP封装进行了散热对比，得出了相应的最大允许芯片功耗值。

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