半导体芯片热仿真分析

发布日期： 2024-11-21 阅读量： 作者： 胥口分析技术中心

在功率IC中，通常会有大量功率半导体器件，如功率MOSFET、整流二极管等。送些器件工作时会产生大量热量，热量的积累会导致电路内部温度升高，如果不加以控制，过高的温度会影响元器件的特性，甚至造成元件的损环，导致电路失效。为了提高功率IC的可靠性，设计中必须进行热分析和热控制。相对于传统的热设计方法，借助仿真手段可大大减少计算量，缩短研制周期和降低成本，提高一次成功率，并改善电子产品的性能。

案例1：芯片热仿真

FCBGA模拟工况1：封装尺寸:19*19mm ，其中基板厚度XXmm ，散热铜块XX*XX*XXmm；芯片功耗:XX W ，尺寸:XX*XXmm；环境温度设置为XX℃ 或XX℃；将模型放置于JEDEC标准的密闭测试箱中，并进行散热仿真分析。

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散热盖+环境温度XX℃+TIM热导率XX W/m-k：从温度分布云图可以看出：当芯片功耗为XX W时，最高结温主要集中在芯片处， DIE的最高结温为184.2℃ ,热阻值为： Rja=(Tj-Ta)/P=12.4℃ /W。

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散热铜块+环境温度XX ℃+TIM热导率XX W/m-k：从温度分布云图可以看出：当芯片功耗为XX W时，最高结温主要集中在芯片处， DIE的最高结温为261.4℃ ,热阻值为： Rja=(Tj-Ta)/P=17.1℃ /W。

结果：从仿真结果看，采用不同的散热方案，芯片最大结温均太高，芯片易损坏；根据JEDEC标准，采用散热盖方案，芯片热阻在合理范围内，而采用散热铜块方案，芯片热阻偏高。

SiP热仿真：
模拟工况：封装尺寸:23*23mm ，其中基板厚度XX mm，芯片功耗:XX W ，尺寸:XX*XX mm；环境温度设置为XX ℃；将模型放置于JEDEC标准的密闭测试箱中，并进行散热仿真分析。

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从温度分布云图可以看出：当芯片功耗为xxW时，最高结温主要集中在芯片处， DIE的最高结温为57.5℃ ,热阻值为： Rjb=(Tj-Tb)/P=5.4℃ /W。

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结果：从仿真结果看，环境温度XX ℃ , Rja为13 ℃/W ， Rjb为5.4℃/W ， Rjc为2.03℃/W 。热阻值较小，满足设计要求。

案例2：TEC热仿真分析

为验证设计方案的散热效果，产品的耐久性分析，对半导体制冷系统进行散热效果模拟；分别对0℃升温*min、65 ℃降温*min、-20℃升温*min、85 ℃降温*min、- 40 ℃升温*min 、125 ℃降温*min 六个工况进行合模瞬态热仿真。

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0℃升温：Socket board温度云图，中心区域温度在65.4 ~65.6℃之间；下模TEC温度云图，温度在67.5℃~67.7℃之间；

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上模负载压头区域温度云图，温度在65.0℃~65.2℃之间；下模负载区域温度云图，温度在65.2℃~65.4 ℃之间

85 ℃降温：

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域温度在-20~-20.1℃之间，下模TEC温度云图，温度在-20~-20.3 ℃之间

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上模负载压头区域温度云图，核心区域压头温度在-20.2℃~-20.4℃之间；下模负载区域温度云图，核心区域压头温度在-20℃~-20.2℃之间。

案例3：PCB版热仿真

下图所示的电路板：包括三个在正常运行过程中产生热量的芯片。只要在板上通上电源，一个芯片就能保持通电状态，另外两个芯片在不同的时间内，会周期性地激活和断开能量。利用稳态热分析和瞬态热分析方法研究这些芯片所产生的热量。

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电路板的稳态温度分布结果如上

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瞬态仿真，得到整个电路板全部时间历程的温度结果如下上。

半导体芯片热仿真分析

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