各位粉絲朋友久等啦！第二期的“仿真101”終于千呼萬喚始出來，第二節(jié)課我們來到了芯片的另一個重要特性——熱學(xué)。在不同的封裝下，芯片的熱表現(xiàn)也截然不同，這也決定了最后我們設(shè)計的芯片究竟該采用什么封裝。

接下來，納微經(jīng)驗豐富的專家們，將用仿真模擬和快插板驗證的方式，為大家深入淺出地剖析不同封裝下的熱表現(xiàn)。

老規(guī)矩，先上省流助手：

重點結(jié)論先看

1. 封裝的exposed pad面積越大，在相同散熱方案下的系統(tǒng)熱阻一般會越低（前提是exposed pad厚度沒有太大的差異），這種現(xiàn)象對于器件與冷板間缺乏良好熱擴散的方案而言尤為顯著；

2. 流道特征變化時，系統(tǒng)熱阻的變化主要來自流道熱阻的變化，直接替換疊層熱阻中的流道熱阻可以作為一個有效的快速的系統(tǒng)熱阻預(yù)測手段；

3. 器件的功耗大小對系統(tǒng)熱阻無明顯影響；

4. 熱源數(shù)量的增加會顯著影響系統(tǒng)熱阻的大小。

01

什么是半導(dǎo)體器件的Rjc？

首先，我們要明白一個概念——熱阻：是指當(dāng)有熱量在物體上傳輸時，物體兩端的溫差與功率之間的比值。半導(dǎo)體器件的Rjc，即器件的結(jié)到封裝case面的熱阻。實際器件的封裝會有多個與空氣或其他部件接觸的case面，對于每一個case面都有對應(yīng)的Rjc。但是與電路相似，器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，主要會從Rjc最小的那個case面流出，因此半導(dǎo)體廠商一般僅會在datasheet中列出主要散熱case面的Rjc。Rjc越大的器件，在相同條件一下一般結(jié)溫也會更高，因此Rjc常被用于表征器件的溫升難易程度。

以采用TO247封裝的納微半導(dǎo)體的GeneSiC MOSFET為例，其主要散熱面為底部金屬面：

圖1TO247散熱面主要為金屬面

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什么是Rj-coolant？

Rj-coolant，即器件的結(jié)到冷卻介質(zhì)輸入端的熱阻（液冷系統(tǒng)）或者結(jié)到環(huán)境的熱阻（風(fēng)冷系統(tǒng)），也稱系統(tǒng)熱阻。從定義上來看， 系統(tǒng)熱阻Rj-coolant與結(jié)殼熱阻Rjc非常相似，但是從值的唯一性上來說，兩者又非常截然不同。Rjc受到環(huán)境的影響較小，它的值在大多數(shù)實際應(yīng)用場景中都能維持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。而Rj-coolant則不同，器件所處的位置、環(huán)境溫度、散熱方案、流道特征、冷卻介質(zhì)流量等多種因素都會大大的影響其值的大小。

因此Rj-coolant實際上是半導(dǎo)體器件在特定散熱系統(tǒng)中的系統(tǒng)熱阻。如果參照電路系統(tǒng)對系統(tǒng)的散熱過程進(jìn)行簡化，則溫度差對應(yīng)電壓，熱流（熱耗）對應(yīng)電流，熱阻對應(yīng)電阻，此時系統(tǒng)熱阻Rj-coolant可以被視為傳熱路徑上各個部件熱阻的串聯(lián)疊加，這種簡化方式則稱作熱路法。

圖2 TOLL封裝在實際散熱系統(tǒng)中的熱路法簡化示意圖

03

對于系統(tǒng)熱阻Rj-coolant而言，

封裝類型的改變會帶來哪些影響？

如果單純的將熱路與電路進(jìn)行等價，封裝類型的改變看似等同于更換了一個電阻，那么實際上是否真的如此呢？答案是否定的。

熱路法本質(zhì)是通過將一個三維傳熱問題簡化為一維傳熱問題以實現(xiàn)模型的簡化。簡化后的降階模型能夠大幅削減計算的成本，從而使大系統(tǒng)復(fù)雜工況的熱預(yù)測成為可能。但不要忘了，其本質(zhì)仍是一個三維傳熱問題。

封裝類型的不同，對于圖2中的Solder到Cold plate的子系統(tǒng)而言，就相當(dāng)于Solder層上表面熱源的面積與分布發(fā)生了變化，這種變化又會對子系統(tǒng)中每一層的等熱阻線分布產(chǎn)生大小不等的影響。其中，對于平面方向熱擴散能力差的材料而言，這種影響會尤為顯著。

圖3 等熱阻線

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不同封裝在水冷系統(tǒng)在

不同散熱方案下的熱表現(xiàn)對比

為了能夠更準(zhǔn)確的了解不同封裝在不同散熱方案下的熱表現(xiàn)，也為了給后續(xù)完善降階模型提供足夠的樣本量，本文將借助有限元仿真的手段，對8種常見的功率半導(dǎo)體器件封裝進(jìn)行熱表現(xiàn)評估（底部散熱、頂部散熱各4種）。

其中，每種封裝對比30毫歐SiC與18毫歐GaN兩種類型的Die，每個Die的功耗為25W，全橋板（相同封裝的4個器件同時發(fā)熱），環(huán)境溫度85℃，冷卻液溫度65℃，流道采用針狀翅片，細(xì)節(jié)信息見圖4與表1。

表1 各類封裝exposed pad的面積與厚度

圖4 仿真對比的封裝類型、流道、功耗以及邊界條件

圖5為仿真對比的不同散熱方案。其中底部散熱封裝TOLL、PSOP-30L、TO263均與塞銅板焊接相連，適用A1-A5的散熱解決方案。而底部散熱封裝TO247則由于其插件式封裝特性，僅適用A2、A4-A6方案。

圖5仿真對比的不同散熱方案

圖6與圖7分別是底部散熱與頂部散熱封裝的疊層熱阻曲線圖。其中實線代表die為SiC，虛線代表die為GaN。可以發(fā)現(xiàn)：

圖6底部散熱封裝的疊層熱阻

圖7 頂部散熱封裝的疊層熱阻

1.當(dāng)die發(fā)生改變時，相較其他層，die層的熱阻變化最為明顯。這種變化是由厚度、面積、材料所同時引起的；

2.當(dāng)die發(fā)生改變時，die attach層的熱阻沒有顯著的變化。這是因為die attach的面積始終與die保持一致而不需要進(jìn)行額外的熱擴散，因此它的熱阻變化僅受die面積的影響；

3.當(dāng)die發(fā)生改變時，exposed pad層的熱阻變化較為明顯。這是因為對與exposed pad而言，熱源面積遠(yuǎn)小于其自身的表面積，熱流除了通過厚度方向以外，還需要在平面方向進(jìn)行擴散，隨著熱源尺寸的增加，其熱阻會隨之逐漸變小；

4.當(dāng)die發(fā)生改變時，對于exposed pad之后各層的熱阻影響取決于熱流是否已經(jīng)在exposed pad中受到了充分地擴散。即對于exposed pad厚度較薄的TFN而言，后續(xù)各層熱阻仍會有較明顯的變化，而這種明顯的變化在其他封裝中則難以被觀測到；

5.當(dāng)選用的封裝發(fā)生改變時， exposed pad之后各層的熱阻均有不同程度的變化。相比起通過塞銅板進(jìn)行熱擴散的底部散熱封裝，頂部散熱封裝的熱阻變化要更為明顯；

6.當(dāng)選用的封裝發(fā)生改變時，沒有高導(dǎo)熱率中間層的散熱方案（如A3、A4、B2與B3）各層熱阻變化更為明顯。這是因為高導(dǎo)熱中間層可以使熱流在平面內(nèi)有更好的擴散，從而削弱了exposed pad面積對后續(xù)各層熱阻的影響。

圖8與圖9分別是底部散熱封裝與頂部散熱封裝的系統(tǒng)熱阻曲線圖。可以發(fā)現(xiàn)：

圖8底部散熱封裝系統(tǒng)熱阻

圖9 頂部散熱封裝系統(tǒng)熱阻

1.die改變帶來的影響對于系統(tǒng)熱阻而言，它的占比非常小；

2.封裝類型改變帶來的影響對于系統(tǒng)熱阻而言，占比非常大，尤其是對于沒有高導(dǎo)熱率中間層的散熱方案（如A3、A4、B2與B3）；

3. 結(jié)合圖6與圖7的疊層熱阻曲線圖看，當(dāng)流道熱阻約為0.7K/W時，不同散熱方案下各封裝（全橋板）的系統(tǒng)熱阻范圍可以總結(jié)為表2。

表2當(dāng)流道熱阻約為0.7K/W時，

不同散熱方案下各封裝（全橋板）系統(tǒng)熱阻范圍

05

不同散熱方案下流道特征的影響

上一章給出了流道帶針翅特征時，不同封裝不同散熱方案下的熱阻范圍。然而實際產(chǎn)品的流道特征會根據(jù)設(shè)計空間、制造工藝、成本等因素做出改變，流道的熱阻也會有非常大的變化。

那么更換流道時，是否可以簡單的替換流道熱阻而推算出不同流道下的系統(tǒng)熱阻呢？本章將以TO263-7L(SiC)的A2與A3散熱方案以及TFN10X10-44L(SiC)和QDPACK（SiC）的B1與B2散熱方案為例，對比不同散熱方案下流道特征對熱阻的影響（見圖10）。可以發(fā)現(xiàn)：

1.當(dāng)流道熱阻增大時，緊挨流道的疊層熱阻有一定程度的減小，離流道較遠(yuǎn)的疊層熱阻則幾乎沒有變化；

2.當(dāng)流道熱阻增大時，緊挨流道的疊層熱阻減小的程度與該層材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，封裝的影響則難以被觀察到，數(shù)值上與流道熱阻的變化相比幾乎可以忽略不計；

3.綜上所述，當(dāng)流道發(fā)生改變時，直接替換疊層熱阻中的流道部分后獲得的系統(tǒng)熱阻仍可以較好的反映封裝在新系統(tǒng)中的熱表現(xiàn)。

圖10 不同散熱方案下流道特征對熱阻的影響

05

器件數(shù)量、功耗以及冷卻液流速的影響

前文的分析均以全橋板（4個器件）為對象，然而實際產(chǎn)品中往往會有遠(yuǎn)多于此的器件在同時工作。那么器件的數(shù)量會怎樣影響它們的熱表現(xiàn)呢？本章以TOLL-4L的A1方案為例，將半橋模塊（2個器件）作為基本單元，研究器件數(shù)量（串聯(lián)的單元數(shù)1-7）、流速（并聯(lián)的單元數(shù)1-3）、功耗（25W與40W）以及流量（3、6及12L/min）的影響。

圖11 串聯(lián)7組單元，且并聯(lián)單元數(shù)

分別為1、2、3時的仿真模型示意圖

圖12、圖13與圖14分別為不同并聯(lián)單元數(shù)量、不同功耗、不同流量下，系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系曲線圖。其中實線為所有單元中溫度最高的單元的熱阻曲線，虛線則為最靠近流道入口的單元的熱阻曲線。可以發(fā)現(xiàn)：

1.功耗的大小對系統(tǒng)熱阻幾乎沒有影響，些微的影響也主要來源于材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系以及冷卻液粘度與溫度的關(guān)系；

2.器件數(shù)量對系統(tǒng)熱阻有著顯著的影響。并且，對于特定的工況，存在一個最大影響范圍。當(dāng)器件間的距離超出該范圍時，影響可以忽略不計。如圖中表示入口單元系統(tǒng)熱阻的虛線，當(dāng)串聯(lián)數(shù)量大于3時，熱阻曲線趨于穩(wěn)定。注，圖中表示最高溫度單元系統(tǒng)熱阻的實線直到6或者7才趨于穩(wěn)定是因為它同時受到兩側(cè)單元的影響；

3.流量對系統(tǒng)熱阻的影響非常大，除了如前文章節(jié)所說的影響流道熱阻外，還會影響上文提及的最大影響范圍的大小。如圖12中的藍(lán)色曲線，由于并聯(lián)數(shù)量為1，流速相對較快，系統(tǒng)熱阻幾乎不受串聯(lián)數(shù)量影響。又如圖14中的綠色虛線，相比低流量的灰線與藍(lán)線，串聯(lián)數(shù)量2-7均處于系統(tǒng)熱阻溫度區(qū)域；

4. 綜上所述，當(dāng)器件數(shù)量增多時，圖8與圖9的系統(tǒng)熱阻值將不足以評估各封裝器件的實際熱表現(xiàn)，此時需要結(jié)合流道、器件間距以及散熱方案對其進(jìn)行修正。

圖12 不同并聯(lián)單元數(shù)量下，系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系

圖13 不同功耗下，系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系

圖14 不同流量下（即流速不同），

系統(tǒng)熱阻與串聯(lián)單元數(shù)量的關(guān)系

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基于EVB快插板的實際案例驗證

EVB，即評估板（Evaluation Board）的英文簡稱。EVB通常是用于向客戶展示器件的性能、供客戶熟悉器件的功能和作用、且由芯片公司自己開發(fā)的非生成類型板。

前文的研究結(jié)論主要是基于小型簡化系統(tǒng)獲得，本章旨在以EVB快插板（實際產(chǎn)品）為對象驗證前文所得規(guī)律是否依然適用。圖15為帶獨立水道的EVB（主板與功率快插板），其中快插板為載有4顆TOLL-4L封裝的全橋板，獨立水道結(jié)構(gòu)特征見圖16。

圖15 帶獨立水道的EVB（主板與功率快插板）

圖16 獨立水道結(jié)構(gòu)圖

散熱方案采用章節(jié)“不同封裝在水冷系統(tǒng)不同散熱方案下的熱表現(xiàn)對比”中的A5，但疊層信息中有若干差異，差異細(xì)節(jié)以及推測的疊層熱阻變化趨勢見表3。此外，仿真中獨立水道的流量分別設(shè)為2L/min、3L/min以及4L/min三種，其中2L/min的工況又分為單個器件功耗為25W與20W兩種，其余工況單個器件功耗均為25W，以驗證流道熱阻以及器件功耗對系統(tǒng)熱阻的影響。

圖17為不同流量EVB系統(tǒng)與前文小系統(tǒng)的疊層熱阻對比圖。可以發(fā)現(xiàn)疊層熱阻的變化趨勢與預(yù)測的幾乎完全一致。這表明前文總結(jié)的規(guī)律依然適用。

圖17 不同流量EVB系統(tǒng)與前文小系統(tǒng)的疊層熱阻對比圖

結(jié)論

通過本文對仿真對比分析，不同封裝在水冷系統(tǒng)散熱方案下的系統(tǒng)熱阻大致遵從如下規(guī)律：

1．選用的封裝如果exposedpad較薄，器件的結(jié)殼熱阻Rjc會更容易受到die尺寸的影響。不過相比系統(tǒng)熱阻而言，這種差異占比非常小，可以忽略不計；

2．封裝的exposedpad面積越大，在相同散熱方案下的系統(tǒng)熱阻一般會越低（前提是exposed pad厚度沒有太大的差異），這種現(xiàn)象對于器件與冷板間缺乏良好熱擴散的方案而言尤為顯著；

3．流道特征變化時，系統(tǒng)熱阻的變化主要來自流道熱阻的變化，直接替換疊層熱阻中的流道熱阻可以作為一個有效的快速的系統(tǒng)熱阻預(yù)測手段；

4．器件的功耗大小對系統(tǒng)熱阻無明顯影響；

5．熱源數(shù)量的增加會顯著影響系統(tǒng)熱阻的大小；

6．對于5，存在一個最大影響范圍，當(dāng)熱源間距大于這個范圍時，熱源數(shù)量的影響可以忽略不計；

7．對于6，冷卻介質(zhì)流速會顯著影響最大影響范圍的大小。當(dāng)流速到達(dá)一定值后，可以認(rèn)為每個器件的系統(tǒng)熱阻不再受到熱源數(shù)量的影響；

8．8種常見的功率半導(dǎo)體器件封裝在不同水冷系統(tǒng)散熱方案下的具體熱表現(xiàn)可以通過圖8、圖9與表2查詢獲得。當(dāng)實際產(chǎn)品條件與本文所示存在差異時，其系統(tǒng)熱阻不可直接沿用，應(yīng)結(jié)合上述規(guī)律對其進(jìn)行適當(dāng)修正。