熱學篇：芯片的不同封裝在水冷系統不同散熱方案下的熱表現

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，第二節課我們來到了芯片的另一個重要特性——熱學。在不同的封裝下，芯片的熱表現也截然不同，這也決定了最后我們設計的芯片究竟該采用什么封裝。

接下來，納微經驗豐富的專家們，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。

老規矩，先上省流助手：

重點結論先看

1. 封裝的exposed pad面積越大，在相同散熱方案下的系統熱阻一般會越低（前提是exposed pad厚度沒有太大的差異），這種現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熱阻預測手段；

3. 器件的功耗大小對系統熱阻無明顯影響；

4. 熱源數量的增加會顯著影響系統熱阻的大小。

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什么是半導體器件的Rjc？

首先，我們要明白一個概念——熱阻：是指當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。半導體器件的Rjc，即器件的結到封裝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面都有對應的Rjc。但是與電路相似，器件內部產生的熱量，主要會從Rjc最小的那個case面流出，因此半導體廠商一般僅會在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，即器件的結到冷卻介質輸入端的熱阻（液冷系統）或者結到環境的熱阻（風冷系統），也稱系統熱阻。從定義上來看， 系統熱阻Rj-coolant與結殼熱阻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受到環境的影響較小，它的值在大多數實際應用場景中都能維持在一個相對穩定的范圍內。而Rj-coolant則不同，器件所處的位置、環境溫度、散熱方案、流道特征、冷卻介質流量等多種因素都會大大的影響其值的大小。

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

圖2 TOLL封裝在實際散熱系統中的熱路法簡化示意圖

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對于系統熱阻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。

熱路法本質是通過將一個三維傳熱問題簡化為一維傳熱問題以實現模型的簡化。簡化后的降階模型能夠大幅削減計算的成本，從而使大系統復雜工況的熱預測成為可能。但不要忘了，其本質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的子系統而言，就相當于Solder層上表面熱源的面積與分布發生了變化，這種變化又會對子系統中每一層的等熱阻線分布產生大小不等的影響。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在

不同散熱方案下的熱表現對比

為了能夠更準確的了解不同封裝在不同散熱方案下的熱表現，也為了給后續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種常見的功率半導體器件封裝進行熱表現評估（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個器件同時發熱），環境溫度85℃，冷卻液溫度65℃，流道采用針狀翅片，細節信息見圖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?？梢园l現：

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die發生改變時，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die發生改變時，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die發生改變時，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行擴散，隨著熱源尺寸的增加，其熱阻會隨之逐漸變??；

4.當die發生改變時，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.當選用的封裝發生改變時， 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.當選用的封裝發生改變時，沒有高導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。這是因為高導熱中間層可以使熱流在平面內有更好的擴散，從而削弱了exposed pad面積對后續各層熱阻的影響。

圖8與圖9分別是底部散熱封裝與頂部散熱封裝的系統熱阻曲線圖?？梢园l現：

圖8底部散熱封裝系統熱阻

圖9 頂部散熱封裝系統熱阻

1.die改變帶來的影響對于系統熱阻而言，它的占比非常??；

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

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

表2當流道熱阻約為0.7K/W時，

不同散熱方案下各封裝（全橋板）系統熱阻范圍

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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。然而實際產品的流道特征會根據設計空間、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）?？梢园l現：

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

2.當流道熱阻增大時，緊挨流道的疊層熱阻減小的程度與該層材料的導熱系數有關，封裝的影響則難以被觀察到，數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，當流道發生改變時，直接替換疊層熱阻中的流道部分后獲得的系統熱阻仍可以較好的反映封裝在新系統中的熱表現。

圖10 不同散熱方案下流道特征對熱阻的影響

05

器件數量、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，然而實際產品中往往會有遠多于此的器件在同時工作。那么器件的數量會怎樣影響它們的熱表現呢？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，研究器件數量（串聯的單元數1-7）、流速（并聯的單元數1-3）、功耗（25W與40W）以及流量（3、6及12L/min）的影響。

圖11 串聯7組單元，且并聯單元數

分別為1、2、3時的仿真模型示意圖

圖12、圖13與圖14分別為不同并聯單元數量、不同功耗、不同流量下，系統熱阻與串聯單元數量的關系曲線圖。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?？梢园l現：

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

2.器件數量對系統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熱阻的虛線，當串聯數量大于3時，熱阻曲線趨于穩定。注，圖中表示最高溫度單元系統熱阻的實線直到6或者7才趨于穩定是因為它同時受到兩側單元的影響；

3.流量對系統熱阻的影響非常大，除了如前文章節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中的藍色曲線，由于并聯數量為1，流速相對較快，系統熱阻幾乎不受串聯數量影響。又如圖14中的綠色虛線，相比低流量的灰線與藍線，串聯數量2-7均處于系統熱阻溫度區域；

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

圖12 不同并聯單元數量下，系統熱阻與串聯單元數量的關系

圖13 不同功耗下，系統熱阻與串聯單元數量的關系

圖14 不同流量下（即流速不同），

系統熱阻與串聯單元數量的關系

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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的非生成類型板。

前文的研究結論主要是基于小型簡化系統獲得，本章旨在以EVB快插板（實際產品）為對象驗證前文所得規律是否依然適用。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，獨立水道結構特征見圖16。

圖15 帶獨立水道的EVB（主板與功率快插板）

圖16 獨立水道結構圖

散熱方案采用章節“不同封裝在水冷系統不同散熱方案下的熱表現對比”中的A5，但疊層信息中有若干差異，差異細節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熱阻的影響。

圖17為不同流量EVB系統與前文小系統的疊層熱阻對比圖?？梢园l現疊層熱阻的變化趨勢與預測的幾乎完全一致。這表明前文總結的規律依然適用。

圖17 不同流量EVB系統與前文小系統的疊層熱阻對比圖

結論

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

1．選用的封裝如果exposedpad較薄，器件的結殼熱阻Rjc會更容易受到die尺寸的影響。不過相比系統熱阻而言，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熱阻一般會越低（前提是exposed pad厚度沒有太大的差異），這種現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熱阻預測手段；

4．器件的功耗大小對系統熱阻無明顯影響；

5．熱源數量的增加會顯著影響系統熱阻的大??；

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

7．對于6，冷卻介質流速會顯著影響最大影響范圍的大小。當流速到達一定值后，可以認為每個器件的系統熱阻不再受到熱源數量的影響；

8．8種常見的功率半導體器件封裝在不同水冷系統散熱方案下的具體熱表現可以通過圖8、圖9與表2查詢獲得。當實際產品條件與本文所示存在差異時，其系統熱阻不可直接沿用，應結合上述規律對其進行適當修正。