散熱性能分析

電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會消耗電能并產(chǎn)生熱量。這種熱量會提高包括半導(dǎo)體產(chǎn)品在內(nèi)元件的溫度，從而損害電子設(shè)備的功能性、可靠性和安全性。因此，電子設(shè)備必須配備適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，以確保元件在任何環(huán)境下均能保持在一定溫度水平下。

鑒于散熱性能在半導(dǎo)體封裝中的重要作用，熱分析也成為了一項(xiàng)必不可少的測試內(nèi)容。因此，必須提前準(zhǔn)確了解半導(dǎo)體封裝在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的熱量、封裝材料與結(jié)構(gòu)的散熱效果、以及溫度效應(yīng)，并將其反應(yīng)在封裝設(shè)計(jì)中。

對半導(dǎo)體封裝實(shí)施并使用熱分析，我們需要定義封裝的關(guān)鍵溫度點(diǎn)，包括：環(huán)境溫度（Ta）、結(jié)溫（Tj）、殼溫（Tc）和板溫（Tb）。封裝規(guī)格的溫度通常為最高結(jié)溫（Tj max.）或者最高殼溫，這兩點(diǎn)指的是確保半導(dǎo)體器件正常工作的最高溫度。圖3顯示了封裝原理示意圖中的各個(gè)溫度點(diǎn)。

▲圖3：封裝的關(guān)鍵溫度點(diǎn)（? HANOL出版社）

對半導(dǎo)體封裝實(shí)施并使用熱分析，我們需要定義封裝的關(guān)鍵溫度點(diǎn)，包括：環(huán)境溫度（Ta）、結(jié)溫（Tj）、殼溫（Tc）和板溫（Tb）。封裝規(guī)格的溫度通常為最高結(jié)溫（Tj max.）或者最高殼溫，這兩點(diǎn)指的是確保半導(dǎo)體器件正常工作的最高溫度。圖3顯示了封裝原理示意圖中的各個(gè)溫度點(diǎn)。

▲圖4：封裝中的熱特性類型（? HANOL出版社）

使用封裝的主要溫度點(diǎn)可以計(jì)算出熱阻，熱阻是最重要的熱保護(hù)特性。封裝熱阻是一個(gè)指數(shù)，單位為℃/W，表示當(dāng)芯片產(chǎn)生1瓦熱量時(shí)，半導(dǎo)體產(chǎn)品相對于環(huán)境溫度所上升的溫度。該比值根據(jù)每種產(chǎn)品和環(huán)境條件而變化。常見的熱阻類型包括結(jié)到環(huán)境熱阻（Ja）、結(jié)到板熱阻（Jb）和結(jié)到殼熱阻（Jc），它們是封裝的抗熱性指標(biāo)。

電氣模擬

▲圖5：封裝RLGC模型示例（? HANOL出版社）

隨著半導(dǎo)體芯片傳輸速度的提升和密度的增大，封裝也對半導(dǎo)體產(chǎn)品的特性產(chǎn)生重大影響。特別是在封裝高性能半導(dǎo)體芯片時(shí)，必須要對封裝狀態(tài)進(jìn)行精確的電氣模擬。

為了預(yù)測由高性能半導(dǎo)體芯片的復(fù)雜布線引起的電氣問題，需要使用諸如RLGC等模型。因此，電氣模擬可以創(chuàng)建各種模型，并利用這些模型來預(yù)測高速數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸用時(shí)、信號質(zhì)量和形狀精度。

在封裝電氣分析過程中，電氣模型的基本元素包括電阻（Resistance）、電感（Inductance）和電容（Capacitance）。電阻的強(qiáng)度足以阻礙電流的流動(dòng)，它與物體中的單位電流成反比。電感是電路中電流變化引起的電磁感應(yīng)形成的反電動(dòng)勢的比率。最后，電容是電容器在單位電壓作用下儲存電荷的物理量。

▲圖6：電氣分析的不同方面（? HANOL出版社）

如圖5所示，利用RLGC建模，可以預(yù)測的最重要特性，即信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和電磁干擾（EMI）。信號完整性衡量的是電信號的質(zhì)量，電源完整性衡量的是電源傳輸?shù)馁|(zhì)量。最后，EMI指電磁干擾，即輻射或傳導(dǎo)的電磁波會干擾其他設(shè)備的運(yùn)行的因素。因此，應(yīng)提前檢查噪聲問題，盡可能縮短其發(fā)展周期，確保電源完整性和電源配送系統(tǒng)能夠支持創(chuàng)建可靠的電路板。信號完整性、電源完整性和電磁干擾之間存在著密切的有機(jī)聯(lián)系，因此，綜合考量這三種特性的設(shè)計(jì)方案對于電氣分析至關(guān)重要。

支持半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展

無論單個(gè)芯片性能如何提高，如果不能妥善管理封裝內(nèi)芯片和供電電網(wǎng)間連接路徑的電磁特性，整體系統(tǒng)性能就無法得到保障。因此，封裝設(shè)計(jì)工藝和相關(guān)分析對于確保芯片的運(yùn)行和持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過遵循特定設(shè)計(jì)規(guī)則，可以創(chuàng)建具備最佳特性的半導(dǎo)體封裝藍(lán)圖。隨后可以通過結(jié)構(gòu)分析、熱分析和電氣分析對封裝特性進(jìn)行優(yōu)化。通過各階段的設(shè)計(jì)和分析，最終可以滿足市場對半導(dǎo)體的傳輸速度、集成度和性能方面日益增加的需求。






審核編輯：劉清