热仿真-实测结果下对比集总参数法与双热阻模型

1、概述     

     如何有效的发现、解决封装芯片的散热问题是封装技术发展的研究方向之一，随着电子产品的小型化和高性能化，单位面积的功率迅速增加，这对封装技术提出了更高的要求。目前开展的建模方式中，大多采用“集总参数法”对元器件进行简化建模，该方法简单快速；另一种方式是建立器件的双热阻模型，但需要准确获知器件的热阻值，那两种方法对于板级仿真准确性如何呢？

    基于此，本案例对比分析了集总参数法与双热阻模型的仿真应用，并开展了温度实测，讨论了不同建模方法与实测值的符合性。

2、芯片散热相关理论简介

2.1 芯片的散热方式

     一般而言封装芯片的散热方式也包含了上述三种热传递形式，即热传导、热对流和热辐射三种方式。元器件主要散热形式和具体的热设计措施有关，不存在通用的规律。如下图所示，为典型封装芯片的传热路径。

                                                       图1.典型器件散热形式

2.2 热阻理论及元器件建模方法

1、集总参数法

     集总参数法：即设置物体内部单一导热率、认为物体温度均匀一致的近似分析方法。该方法简单、易操作、所需信息少；该方法适用于一般元件，例如电阻、电感等，而对于器件由于封装内部结构、材料不同，导致封装不同方向导热率会有较大差异，采用集总参数法建模，则仿真误差可能相对较大，后续会做具体对比分析。

                                                               图2.集总参数法

2、 双热阻模型

     对于典型芯片封装而言，主要的封装热阻包括 Die 结到环境（Junction-to-Ambient）的热阻 Rja，结到壳（Junction-to-Case）的热阻 Rjc和结到板（Junction-to-Board）的热阻 Rjb。其中Rja与器件所处的环境有关，且器件规格书中的规定值一般为生产商基于标准环境测试，而往往实际应用环境和标准测试环境差别较大，Rja很难应用于芯片结温预计，更多的应用于定性对比不同封装芯片的散热能力。因此，在实际应用时，更多的采用结壳热阻Rja和结板热阻Rjb评价器件的散热能力，由此便产生了双热阻模型。

    在建立双热阻模型时一般做如下假设：

①结点热量仅存在两条散热途径：通过上表面传递到空气中或散热器上，通过下表面传递到PCB板上；

②上下表面为等温面，不发生热量传递；

③侧面为绝热面，即结点热量不通过侧面传递。

                                                                图3.双热阻模型示意图

3、应用

3.1 建模       

      基于元器件热特性参数，建立元器件的等效模型如下图所示。示例中，整个产品结构为全密闭机盒，该器件的散热方式除通过PCB板散热，另外在器件上表面有导热垫与外壳相连，借助外壳进行散热。