文章來源：老虎說芯

原文作者：老虎說芯

如果將芯片封裝比作“房屋結(jié)構(gòu)”，那么熱仿真就像在建造前做“房屋通風(fēng)模擬”。在圖紙階段先預(yù)測(cè)各房間是否通風(fēng)良好、哪些地方會(huì)悶熱，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)布局。一旦完工后再發(fā)現(xiàn)通風(fēng)問題，改動(dòng)代價(jià)就會(huì)非常高。

熱管理在芯片封裝中的重要性

高性能芯片的發(fā)熱量與日俱增：隨著集成度和性能的提高，芯片功耗越來越高，熱量聚集會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度快速上升。

溫度直接影響可靠性和壽命：半導(dǎo)體器件工作溫度過高會(huì)加速老化，甚至造成瞬時(shí)失效，就像發(fā)動(dòng)機(jī)過熱會(huì)導(dǎo)致機(jī)件故障一樣。

封裝是散熱的關(guān)鍵通道：封裝不僅要保證芯片的電氣連接和機(jī)械保護(hù)，同時(shí)也是芯片向外部環(huán)境散熱的主要路徑，如果散熱設(shè)計(jì)不佳，熱量會(huì)“悶”在芯片內(nèi)部。

封裝結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來更高的散熱需求

多材料、多層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)代封裝包含引線框架(或基板)、塑封材料、焊料、支撐層、散熱片等多種材料，材料之間的熱傳遞特性差異很大。

形狀和尺寸多樣：不同封裝形態(tài)(QFN、BGA、Flip Chip等)在尺寸、厚度以及散熱通路上千差萬別，需要針對(duì)不同封裝架構(gòu)進(jìn)行差異化的熱評(píng)估。

先進(jìn)封裝與系統(tǒng)集成：像3D封裝、Chiplet等新技術(shù)將多顆芯片堆疊在一起，使封裝體內(nèi)的熱流路徑更復(fù)雜，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)內(nèi)部溫升。

熱仿真在開發(fā)早期的作用

幫助評(píng)估初步設(shè)計(jì)可行性：在封裝設(shè)計(jì)圖紙階段，利用熱仿真可以快速判斷“散熱瓶頸”在哪里，從而避免后期大規(guī)模改動(dòng)。

縮短開發(fā)周期，降低試錯(cuò)成本：如果只依賴試驗(yàn)驗(yàn)證，需要先做樣品、反復(fù)測(cè)量、再修正設(shè)計(jì)。熱仿真相當(dāng)于在“虛擬實(shí)驗(yàn)室”中先完成大部分篩選，減少實(shí)際打樣次數(shù)。

提升產(chǎn)品可靠性：通過在仿真中“預(yù)演”極端應(yīng)用場(chǎng)景（高溫、高功耗），可以優(yōu)化散熱路徑、選用更合適的材料組合，減少過熱造成的失效風(fēng)險(xiǎn)。

熱仿真如何指導(dǎo)散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

局部?jī)?yōu)化與全局平衡：熱仿真可顯示芯片封裝內(nèi)部溫度分布，就像交通模擬能顯示擁堵路段一樣。這樣能直觀看到哪一部分過熱、哪一部分散熱資源富余，從而對(duì)材料厚度、散熱器位置或封裝形態(tài)做出有針對(duì)性的調(diào)整。

協(xié)同考慮其他因素：在封裝設(shè)計(jì)中，電氣性能、機(jī)械強(qiáng)度、成本等都很重要，熱仿真結(jié)果可以與這些設(shè)計(jì)需求協(xié)同考慮，確保最終方案在溫度、安全和成本之間的平衡。

支持封裝到系統(tǒng)級(jí)分析：熱仿真并不僅限于封裝本身，后續(xù)還可以把封裝熱模型與整機(jī)的系統(tǒng)熱分析結(jié)合，驗(yàn)證在整機(jī)或模塊環(huán)境下是否依然能夠滿足溫度要求。

從仿真到制造的價(jià)值延伸

參數(shù)優(yōu)化和良率提升：通過對(duì)封裝熱阻、傳熱系數(shù)等多參數(shù)的仿真分析，有助于在流片或封測(cè)階段提高工藝窗口和良率。

減少過度設(shè)計(jì)，節(jié)約成本：過度加強(qiáng)散熱會(huì)增加材料和工藝成本，熱仿真能幫助工程師定量判斷所需的散熱能力，不至于“盲目加料”。

更好地服務(wù)后續(xù)產(chǎn)品迭代：封裝熱仿真模型可以復(fù)用、迭代，對(duì)于系列化產(chǎn)品開發(fā)或后續(xù)升級(jí)，工程團(tuán)隊(duì)能快速基于已有仿真基礎(chǔ)做出調(diào)整。

總結(jié)

對(duì)于芯片封裝，熱仿真能夠在早期發(fā)現(xiàn)并解決散熱瓶頸，保證芯片運(yùn)行的可靠性和長(zhǎng)壽命，同時(shí)還能降低試驗(yàn)和材料成本，縮短研發(fā)周期。

簡(jiǎn)而言之，芯片封裝需要熱仿真，正是為了在設(shè)計(jì)早期就能精準(zhǔn)評(píng)估、優(yōu)化散熱路徑，降低潛在的過熱風(fēng)險(xiǎn)和后期返工成本，并最終提升產(chǎn)品的可靠性和競(jìng)爭(zhēng)力。