利用热阻网络拓朴关系对多芯片组件热分析技术的研究

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芯片封装的热阻分析

芯片封装的热阻分析

芯⽚封装的热阻分析概述半导体器件散热的三个主要途径是:封装顶部到空⽓,或者封装顶部到散热⽚再到空⽓封装底部到电路板封装引脚到电路板在JEDEC中以热阻Theta来表⽰,其中ThetaJA参数综合了Die的⼤⼩, 封装⽅式,填充材料,封装材料,引脚设计,外部散热⽚和外部电路板的属性多个因素;ThetaJC和ThetaJB这2个参数是表征芯⽚和封装本⾝的,不会随着芯⽚封装外部环境的改变⽽改变。

关于芯⽚外部温度的趣事半导体元器件"烫⼿"未必不正常,55C摄⽒温度就会让⼈感觉发烫,很多⼤功率的芯⽚,表⾯温度可以达到85C摄⽒度以上。

对于Thermal测量的⼏个参数的困惑JEDEC对芯⽚封装的热性能参数的定义热阻参数ThetaJA,结到空⽓环境的热阻,= (Tj-Ta)/PThetaJC,结到封装外壳的热阻,= (Tj-Tc)/P, ⼀般⽽⾔是到封装顶部的热阻,所以⼀般的,ThetaJC = ThetaJTThetaJB,结到PCB的热阻, = (Tj-Tb)/P热特性参数PsiJT,结到封装顶部的热参数,=(Tj-Tt)/PPsiJB, 结到封装底部的热参数,=(Tj-Tb)/P其中:Tj - 芯⽚结温Ta - 芯⽚环境温度Tb - 芯⽚底部的表⾯温度Tc/Tt - 芯⽚顶部的表⾯温度按照JESD测量⽅法得出的ThetaJA热阻参数是对封装的品质度量,并⾮是application specific的热阻参数,只能是芯⽚封装的热性能品质参数的⽐较,不能应⽤于实际测量和分析中的结温预测。

PsiJT和PsiJB和ThetaXX参数不同,并⾮是器件的热阻值,只是数学构造物。

ThetaJA 结到空⽓环境的热阻ThetaJA是最常使⽤的热阻参数,也是最容易引起误解的参数。

IDT公司的定义ThetaJA = (Tj - Ta)/PThetaJA = (ThetaJB + ThetaBA) || (ThetaJC + ThetaCA);其中ThetaXY = (Tx - Ty)/PAltera公司的定义Without a heat sink, ThetaJA = ThetaJC + ThetaCA = (Tj - Ta)/PWith a heat sink , ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA = (Tj - Ta)/P实际上,Altera公司对加散热器的ThetaJA的定义不够严谨,散热器的引⼊相当于增加了⼀个散热通道,即增加了从管壳(Case)到散热器(heat Sink)的散热通道,所以加⼊散热器后,ThetaJA(heat sink) = ThetaJC + ( ThetaCA || ( ThetaCS + ThetaSA) )由于ThetaCA >> (ThetaCS + ThetaSA), 所以上式才可以近似化简为:ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA, 其中ThetaCS通常是导热硅脂或者硅胶, 热阻⾮常⼩TI公司的定义根据TI⽂档spra953c的描述, JESD定义ThetaJA的初衷是为了⼀种封装的相对热阻性能可以被互相⽐较,⽐如TI公司的某个芯⽚的热阻性能和其它公司的热阻性能做对⽐,前提是两家公司都是⽤JESD51-x中规定的标准⽅法来做测试,但是⼤部分芯⽚的热阻系数不会严格按照JESD51中规定的标准⽅法进⾏测量。

芯片的热阻

芯片的热阻

芯片的热阻芯片的热阻是指在芯片运行过程中,由于芯片内部发热引起的温度差与芯片上下表面的温度差之间的比值。

它是衡量芯片散热性能的重要参数,影响着芯片的可靠性和工作效率。

芯片的热阻主要包括芯片本身的热阻、芯片与散热器之间的热阻和散热器的热阻三个方面。

首先是芯片本身的热阻。

芯片本身的热阻取决于芯片的材料和结构。

通常情况下,芯片的材料是导热性能较差的硅,所以芯片的热阻较高。

同时,芯片的结构也会影响芯片的热阻,例如芯片的厚度和面积等。

较薄的芯片更容易传导热量,所以热阻较小。

其次是芯片与散热器之间的热阻。

散热器是用来降低芯片温度的重要组件,它能够通过散热片和散热风扇等方式将芯片上的热量传导到外部环境中。

芯片与散热器之间的热阻取决于它们之间的接触面积、接触材料的导热性能和接触状况等。

接触面积越大,接触材料的导热性能越好,并且接触紧密,热阻就越小。

最后是散热器的热阻。

散热器的热阻是指散热器本身的导热性能和整个散热系统的设计是否合理。

散热器的导热性能主要取决于散热材料的导热系数和散热器的结构。

传统的散热器常采用铝合金或铜材料,它们具有较高的导热系数,能够有效地传导芯片上的热量。

而新型的散热器材料如导热胶、导热硅脂等也逐渐被应用,并且热管、风冷塔等散热技术的发展也提高了散热器的热阻性能。

为了降低芯片的热阻,提高芯片的散热效果,我们可以采取一些措施。

首先是改进芯片的结构和材料,采用导热性能较好的材料,并优化芯片的厚度和面积,减小芯片的热阻。

其次是改进芯片与散热器之间的接触,增加接触面积、改善接触状况,并选择合适的导热材料,减小芯片与散热器之间的热阻。

最后是改进散热器的设计和材料,选择导热系数较高的材料,并优化散热器的结构,降低散热器的热阻。

总的来说,芯片的热阻是一个涉及到芯片本身、散热器以及散热系统设计的综合参数,它的大小直接影响着芯片的散热效果。

通过改进芯片和散热器的结构和材料,并优化散热系统的设计,我们可以降低芯片的热阻,提高芯片的散热性能,确保芯片的可靠性和工作效率。

热网络法及其在热分析计算中的应用

热网络法及其在热分析计算中的应用

( 1 . S c h o o l o f E n e r g y& M e c h a n i c a l E n g i n e e i r n g, S h a n g h a i Un i v e r s i t y o f E l e c t i r c P o we r , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0, Ch i n a ; 2 . S c h o o l o f E n e r g y a n d P o we r En g a n e e r i n g , Un i v e s r i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 , Ch i n a )
Th e r ma l Ne t wo r k M e t h o d a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n Th e r ma l An a l y s i s a n d Ca l c u l a t i o n
W ENG m — Hu a ,ZHANG T o n g -Yu n , CUIXi a o —Yu
品热 分析 计算 的有 效方 法 。在 使 用过程 中 ,需 注意 影响 热 网络 法计 算结 果 的一 些重要 N素 ,如 单
元体 的 划分 、模 型 参数 的取值 等 ,以便 使 计算 结果 与 实际值之 间的偏 差 最小 。 关键 词 :热 网络 法 ;热 分析 ;计 算方 法
中 图 分 类 号 :T K1 2 4 文 献 标 识 码 :A d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / i . i s s n . 1 0 0 2 — 6 6 7 3 . 2 0 1 6 . 0 5 . 0 0 3

有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用

有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用
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第3 3卷第 2期
20 0 7年 2月
电 子 工 套 师
E E R L CT ONI C ENG NE I ER
V0 . 3 N . 13 o 2 Fb O 7 e .2 0
有 限元 分析 软 件 A S S在 多芯 片 组 件热 分析 中 的应 用 NY
基金项 目: 南通大学校 级科研 基金 资助项 目(6 12 。 0 2 2 )
立几何模型的场合 。 A S S施加 载荷 的方 式分 为两种 , NY 即在 有限元模

9.
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微 电子与基础产 品 ・
电 字 工 蠢 ■
20 0 7年 2月
2 运用 பைடு நூலகம் S S进行热 分析流程 NY
运用 A S S进 行 稳态 热 分 析 的基 本 步 骤 如 图 1 NY
所示 , 其中主要包括建立有限元模型 、 施加载荷、 求解
与后 处理 。
1 有限 元分析软件 A S S N Y
有 限元方法 的基本思想是将连续的求解区域离散 为一 组有 限个 、 且按 一 定 方 式互 连 结 合 在 一起 的单 元 的组合体 。因此 , 可以模型化几何形状复杂的求解域。 利用 在 每一个 单元 内假设 的近似 函数来 分 片 的表 示全 求解域上待求 的未知场函数 , 从而使一个连续的无限 自由度 问题 变成 离散 的有 限 自由度 问题 。一经 求解 出
0 引

的近似程度将不断改进。如果单元是 满足收敛要求 的 , 解 最后将 收敛 于精 确解 。 近似
有限元 分析 软件 A S S是集结 构 、 NY 流体 、 电场 、 磁 场 、 场 分 析于 一体 的大 型通 用有 限元分 析 软件 。 声

IC封装的热特性-热阻

IC封装的热特性-热阻

IC封装的热特性----MAXIM应用笔记摘要:IC封装的热特性对于IC应用的性能和可靠性来说是非常关键的。

本文描述了标准封装的热特性:热阻(用“theta”或Θ表示),ΘJ A、ΘJC、ΘC A,并提供了热计算、热参考等热管理技术的详细信息。

引言为确保产品的高可靠性,在选择IC封装时应考虑其热管理指标。

所有IC在有功耗时都会发热,为了保证器件的结温低于最大允许温度,经由封装进行的从IC到周围环境的有效散热十分重要。

本文有助于设计人员和客户理解IC热管理的基本概念。

在讨论封装的热传导能力时,会从热阻和各―theta‖值代表的含义入手,定义热特性的重要参数。

本文还提供了热计算公式和数据,以便能够得到正确的结(管芯)温度、管壳(封装)温度和电路板温度。

结温-PN结度热阻的重要性半导体热管理技术涉及到热阻,热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。

计算时,热阻用―Theta‖表示,是由希腊语中―热‖的拼写―thermos‖衍生而来。

热阻对我们来说特别重要。

IC封装的热阻是衡量封装将管芯产生的热量传导至电路板或周围环境的能力的一个标准。

给出不同两点的温度,则从其中一点到另外一点的热流量大小完全由热阻决定。

如果已知一个IC封装的热阻,则根据给出的功耗和参考温度即可算出IC的结温。

Maxim网站(制造商、布线、产品、QA/可靠性、采购信息)中给出了常用的IC热阻值。

定义以下章节给出了Theta (Θ)、Psi (Ψ)的定义,这些标准参数用来表示IC封装的热特性。

ΘJA是结到周围环境的热阻,单位是°C/W。

周围环境通常被看作热―地‖点。

ΘJA取决于IC封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性,通常辐射的影响可以忽略。

ΘJ A专指自然条件下(没有加通风措施)的数值。

ΘJC是结到管壳的热阻,管壳可以看作是封装外表面的一个特定点。

ΘJC取决于封装材料(引线框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封装设计(管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属材料的热传导率)。

IGBT模块热网络模型及电路仿真应用

IGBT模块热网络模型及电路仿真应用

IGBT模块热网络模型及电路仿真应用IGBT芯片在模块内工作时面临高压大电流环境,每个芯片因位置差异导致其温度各不相同,因此直接精准测量每个芯片的结温基本上是不可能的。

通常使用建立IGBT模块简化模型的方法,通过计算、仿真等方法得到IGBT模块内部芯片的等效结温,称为虚拟结温,用标志Tvj来表示。

广义上来说,谈到IGBT模块结温的时候,大部分情况下其实都是在说虚拟结温Tvj。

图1 IGBT模块内部结构IGBT模块的真实热传导路径应当是三维的,热量从芯片发出,通过横向(X,Y)和纵向(Z)路径传导。

由于模块内部结构复杂,所以模块内每一层材料上不同点的温度不一定相同,热传导形成的等温面可能是不规则的曲面(如图2)。

图2 IGBT模块内部传热路径和等温面半导体器件厂商为了量化半导体器件内部的虚拟结温Tvj,提出了一维分层热结构模型的方法。

该方法基于以下假设:(1)IGBT模块内部的传热路径简化为从内部芯片到外部基板的一维路线热结构模型(实际上其它路径的传热量的确远小于该路径);(2)热结构模型体现的是模块内部等温面的分布,而不是对IGBT 模块内部物理结构的简单等效。

一、用电路理论分析热模型1.Cauer热网络模型将物体内部按材料进行分层,每一层都有其对应的热阻、热容,这种基于物体内部不同材料的真实物理特性建立的热网络模型叫做Cauer网络模型。

Cauer热网络模型可以用电路模型来等效。

模块外部的导热材料和散热器模型也可以一并加入热网络模型。

热源(W)可以对应电流源(A),热阻(K/W)可以对应电阻(Ω),热容(J/K)可以对应电容(F),温度(K)可以对应电压(V)。

有了这样的对应关系,即可将热模型转化为电路模型。

如图3所示,即为Cauer热网络模型转化成电路模型的情况。

图3 Cauer热网络模型转为电路模型通过电路仿真软件,将模块工作时的损耗用数学模型表示成电流,输入等效电路模型,监测各层的电路节点电压,即可得到各层的仿真温度。

tj 芯片结温 双热阻模型

tj 芯片结温 双热阻模型

tj 芯片结温双热阻模型TJ芯片结温双热阻模型在电子设备中,芯片的温度管理是至关重要的。

而了解芯片的结温是进行温度管理的关键。

TJ芯片结温双热阻模型是一种常用的方法,用于估计芯片的结温。

本文将介绍TJ芯片结温双热阻模型的原理和应用。

TJ芯片结温双热阻模型的原理是基于热阻的概念。

热阻是指在单位时间内,单位温度差下传导热量的能力。

在TJ芯片结温双热阻模型中,芯片的结温可以通过两个热阻来估计,分别是芯片与散热器之间的热阻和散热器与环境之间的热阻。

我们来看芯片与散热器之间的热阻。

芯片与散热器之间的热阻取决于散热器的导热性能和芯片的功率。

当芯片产生热量时,这些热量需要通过散热器来散发出去。

如果散热器的导热性能较好,热量就能够快速地传导到散热器上,并散发到空气中。

反之,如果散热器的导热性能较差,热量就会在芯片上积聚,导致芯片结温升高。

我们来看散热器与环境之间的热阻。

散热器与环境之间的热阻取决于散热器的散热面积和环境的散热能力。

散热器的散热面积越大,散热的能力就越强。

而环境的散热能力则取决于空气的流动情况和环境温度。

如果空气流动良好且环境温度较低,散热器就能够更好地将热量散发到空气中,从而降低芯片的结温。

TJ芯片结温双热阻模型可以通过计算芯片与散热器之间的热阻和散热器与环境之间的热阻,来估计芯片的结温。

通过合理设计散热器和优化散热条件,可以有效降低芯片的结温,提高芯片的工作稳定性和寿命。

在实际应用中,TJ芯片结温双热阻模型可以帮助工程师评估芯片的温度管理情况,并根据需要进行优化。

例如,在设计电子设备时,可以通过合理选择散热器和改善散热条件,来降低芯片的结温,提高设备的可靠性和性能。

另外,在芯片测试和验证中,TJ芯片结温双热阻模型也可以用来评估芯片的热特性和温度分布,从而指导后续的优化和改进工作。

TJ芯片结温双热阻模型是一种常用的方法,用于估计芯片的结温。

通过计算芯片与散热器之间的热阻和散热器与环境之间的热阻,可以评估芯片的温度管理情况,并进行优化。

3DMCM组件产品热分析技术研究

3DMCM组件产品热分析技术研究
i t ee n h d a d c mp r d wi t u t yt t g P o i i gawa l i t d s r f i lme t t o , n o a e t er s l b s n . r v dn y f r e ib l e in o D n e me h h e e i o r a i y g 3
度的进一步加大 ,单 位体积容纳的热量就越来越高 , 器件 的工作温 度将 会大大增加 。器件的失 效往往 与
的结 果来 确定热 设计方 法 。热 分析主 要是进行 热场
分析 以及热 应力分 析 。热 应力场 是结构场 和温 度场
的耦 合 。而 热场 的分布可 通过模 拟仿真和 实验来获
M u t- liChi o l pM du e
X UYig we n- i
(h 7 R sac sf t o h aEet nc Tc n l yG opC roai ,h nag 10 3 , h a Te eerh ntue fC i l r i eh oo ru op rt n S ey n 10 2 C i ) 4 I n co s g o n
(D MC )沿 Z 2 M 轴方 向层叠起来的封装技术 ,相对
于单芯片封装和 2 M 具有很多优 点,如体积小 、 D MC 重量轻 ,硅 片的封 装效率 大大提 高 ,延迟 进一步 缩
解 整个封 装实体 的温 度场 分布情 况 ,再根据热 分析
短 ,噪声 降低 ,速 度更快等 。随着 3 M 组装密 D MC
收 稿 日期 : 09 1.5 20 .20 -

d.
第 1 第 1期 0卷
徐 英伟 :3 D MCM 组 件产 品热 分析 技 术研 究
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外部 引脚采 用球栅 阵列 ( G B A—Bl Gi A r ) 式 a r r y方 l d a 引 出 ; ) 三维堆 叠式 M M 封装形 式 。三个 芯片 1b 为 C
分 析方 法相 对 比 , 获得 了很好 的效果 。
收稿 日期 :050 —1 修 回 日期 :0 50—9 20.62 ; 20.91 基 金项 目 : 国防 科 工 委 十 五 重 点 预研 项 5 月
宇 航 学 报
J u n l f  ̄ n u c o r a o a f s o As i
Vo . 7 No. 12 3 Ma v 20 06
利 用 热 阻 网络拓 朴关 系对 多芯片 组 件 热 分析 技 术 的研 究
了 M M 的性能 和可靠 性 。试验 证 明 , C 元器 件 的失效
@ …:
: 学
( 1 )
为环 境参
热 阻值一般 常用 @ 或 表示 ( 单位。 / , 中 CW) 其 为热 传递到 芯 片某 点 的结点 温度 ,
考 温度 ( 满足 J D C标准 的测 试环境 ) P为 输入 的 EE ,
发热功率 。热 阻大 表 示 热不 容 易传 递 , 因此 组件 所
率与 其结温 成指 数关 系 , 能则 随结 温升 高而下 降 。 性
因此 MC 的热 分析 和 热 设 计 技术 , MC M 是 M可 靠 性 设计 的关键 技术 。特 别是 对于 大功 率 的军 用器 件更 具有 尤为重 要 的意义 。
标 准 )热 阻是 电子组件 中最 常用 也是最 重要 的评价 , 指标 , I ( t r e i u ) 装 而言 , 重 要 的 4 以 C I e a dCr i 封 ] ngt ct 最
参数 是 由芯片接 触 面 到 固定 位 置 的热 阻 , 定 义 如 其
下:
提高 , 其单位 体积 内的功耗不 断 增大 , 导致 发热 量增 加 和温 度急剧 上 升 , 而 强化 了组 件 内部 由热 驱 使 从 而形 成 的机 械 、 化学 和 电等诸 方 面 的相互作 用 , 降低
中图 分 类 号 :T 35 9 N 0 .4 文 献 标 识 码 : A 文 章编 号 :0012 (06 0.570 10.3820 )302.4
0 引言
1 热 阻的定 义
M M作为 当代 先进 的 电子 组装 技术 , C 由于 它 具 有 组装 密度 高 、 互连 线 短 、 积小 、 体 重量 轻 、 能好 等 性 特 点 , 到世 界各 发达 国家 的高 度重视 , 受 并得 到 了迅
2 MC M的热 阻分 析方 法
MC 的热分 析技 术一 般采 用 的 方法 有 : 阻分 M 热 析法 口 、 ]积分解 析法 、 限单 元法 等 , 有 并与 实 验法 相结 合 。热 阻值 是 电子 组 件设 计 时很 重 要 的参 数 , 如何 精确 的计算 热 阻 值 对 MC 热 分析 技 术具 有非 M 常 重 要 的 作 用 。 本 论 文 利 用 热 阻 分 析 的 方 法 对
曹玉 生 军 ,刘 ,施 法 中
( . 京 航 空 航 天 大 学 机 械 工 程 及 自动化 学 院 ,北 京 10 8 ;2.中 国航 天 时 代 电子 集 团 民芯 公 司 ,北 京 10 7 ) 1北 0 03 006

要 :与 单 芯 片封 装 相 比 , 多 芯 片 组 件 ( C M l —C i M dl) 行 热 分 析 时 , 对 M M: ui h oue进 t p 由于 存 在 多个 热 源 , 个 各
产 生 的温 度就 比较 高 , 由热 阻 可 以判 断 及 预 测组 件
的发热状 况 。
上 面 所提 到 的热 阻一 般 只适 用 于单 芯 片封 装 ,
对于 M M 的热分 析而 言 , C 由于各个 芯 片具有 不 同的 尺寸 和功耗 , 而且 具有 多个热 源 , 因此 只利用 此公式 计算 热阻就 不适用 了。
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58 2
宇 航 学 报
第2 7卷
在垂 直 方 向 上 叠 层 在 一 起 , 过 引 线 键 合 ( 通 WB一
Wi o d g 方 法 与 多 层基 板 相 连 , 围引脚 采 用 r B ni ) e n 外
热 源 之 间 相 互影 响 , 得 热 分 析 变 得 比较 复 杂 。现 通 过 几 种 基 本 的 M M 类 型 , 用 一 维 热 阻 网 络 拓 朴 关 系 进 行 了 使 C 利 热 场 的 计算 和 分 析 , 与 有 限元 仿 真 结 果 进 行 了 对 比 , 到结 点 温度 与 有 限元 仿 真 结 果 误 差 相 差 不 超 过 1% , 明 并 得 0 说 了利 用 热 阻 网 络 拓 朴 分 析 技 术 可 在 某 种 程 度 上 应 用 于 3 C 组 件 的 热学 分 析技 术 中 。 DM M 关 键 词 :多 芯 片 组 件 ( C ;热 分 析 ; 阻 M M) 热
MC M器 件进 行 了热 分 析 , 过 热 阻 网络 拓 朴 关 系 , 通 建立相 应 的热 传递 方程 , 计算 结 点温度 , 并与 有 限元
图 1为两 种 基 本 的 M M 封 装 形 式 , 为 二 C 1a)
维 MC M结 构示 意 图 , 多层 基 板 上 布 置 了三 个 芯 片 ,
速 的发展 。特别是 在航 空 、 天 方面 , 电子 器件 的 航 对 体 积和重 量 的限制 , 体 现 了多 芯 片组件 封 装 技 术 更 的优 越性 。但 随着 芯 片 的集 成 度 、 率 密度 的 日益 功
根据 现有 的电子传 热 标 准 ( E I 准 和 J D C SM 标 E E
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