散熱性能分析

電子設備在運行時會消耗電能并產生熱量。這種熱量會提高包括半導體產品在內元件的溫度，從而損害電子設備的功能性、可靠性和安全性。因此，電子設備必須配備適當的冷卻系統，以確保元件在任何環境下均能保持在一定溫度水平下。

鑒于散熱性能在半導體封裝中的重要作用，熱分析也成為了一項必不可少的測試內容。因此，必須提前準確了解半導體封裝在系統應用時產生的熱量、封裝材料與結構的散熱效果、以及溫度效應，并將其反應在封裝設計中。

對半導體封裝實施并使用熱分析，我們需要定義封裝的關鍵溫度點，包括：環境溫度（Ta）、結溫（Tj）、殼溫（Tc）和板溫（Tb）。封裝規格的溫度通常為最高結溫（Tj max.）或者最高殼溫，這兩點指的是確保半導體器件正常工作的最高溫度。圖3顯示了封裝原理示意圖中的各個溫度點。

▲圖3：封裝的關鍵溫度點（? HANOL出版社）

對半導體封裝實施并使用熱分析，我們需要定義封裝的關鍵溫度點，包括：環境溫度（Ta）、結溫（Tj）、殼溫（Tc）和板溫（Tb）。封裝規格的溫度通常為最高結溫（Tj max.）或者最高殼溫，這兩點指的是確保半導體器件正常工作的最高溫度。圖3顯示了封裝原理示意圖中的各個溫度點。

▲圖4：封裝中的熱特性類型（? HANOL出版社）

使用封裝的主要溫度點可以計算出熱阻，熱阻是最重要的熱保護特性。封裝熱阻是一個指數，單位為℃/W，表示當芯片產生1瓦熱量時，半導體產品相對于環境溫度所上升的溫度。該比值根據每種產品和環境條件而變化。常見的熱阻類型包括結到環境熱阻（Ja）、結到板熱阻（Jb）和結到殼熱阻（Jc），它們是封裝的抗熱性指標。

電氣模擬

▲圖5：封裝RLGC模型示例（? HANOL出版社）

隨著半導體芯片傳輸速度的提升和密度的增大，封裝也對半導體產品的特性產生重大影響。特別是在封裝高性能半導體芯片時，必須要對封裝狀態進行精確的電氣模擬。

為了預測由高性能半導體芯片的復雜布線引起的電氣問題，需要使用諸如RLGC等模型。因此，電氣模擬可以創建各種模型，并利用這些模型來預測高速數字系統中的數據傳輸用時、信號質量和形狀精度。

在封裝電氣分析過程中，電氣模型的基本元素包括電阻（Resistance）、電感（Inductance）和電容（Capacitance）。電阻的強度足以阻礙電流的流動，它與物體中的單位電流成反比。電感是電路中電流變化引起的電磁感應形成的反電動勢的比率。最后，電容是電容器在單位電壓作用下儲存電荷的物理量。

▲圖6：電氣分析的不同方面（? HANOL出版社）

如圖5所示，利用RLGC建模，可以預測的最重要特性，即信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和電磁干擾（EMI）。信號完整性衡量的是電信號的質量，電源完整性衡量的是電源傳輸的質量。最后，EMI指電磁干擾，即輻射或傳導的電磁波會干擾其他設備的運行的因素。因此，應提前檢查噪聲問題，盡可能縮短其發展周期，確保電源完整性和電源配送系統能夠支持創建可靠的電路板。信號完整性、電源完整性和電磁干擾之間存在著密切的有機聯系，因此，綜合考量這三種特性的設計方案對于電氣分析至關重要。

支持半導體行業發展

無論單個芯片性能如何提高，如果不能妥善管理封裝內芯片和供電電網間連接路徑的電磁特性，整體系統性能就無法得到保障。因此，封裝設計工藝和相關分析對于確保芯片的運行和持續發展至關重要。通過遵循特定設計規則，可以創建具備最佳特性的半導體封裝藍圖。隨后可以通過結構分析、熱分析和電氣分析對封裝特性進行優化。通過各階段的設計和分析，最終可以滿足市場對半導體的傳輸速度、集成度和性能方面日益增加的需求。






審核編輯：劉清