瑞薩提出新的芯片溫度推測(cè)法

瑞薩科技就半導(dǎo)體芯片溫度的推測(cè)方法發(fā)表了演講。目前，在普遍使用的基于JEDEC環(huán)境的推測(cè)方法中，芯片溫度估計(jì)過(guò)高的情況非常多。以上內(nèi)容是瑞薩科技生產(chǎn)總部技術(shù)開(kāi)發(fā)總部系統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)部的中村篤在2009年9月4日于日本東京品川區(qū)召開(kāi)的“EDA Tech Forum 2009（EDA技術(shù)論壇2009）”上發(fā)表的。

設(shè)備廠(chǎng)商等設(shè)計(jì)電路底板時(shí)，需要推斷半導(dǎo)體芯片的溫度，以便抑制芯片溫度上升，采取散熱措施。中村指出，“許多人誤以為根據(jù)JEDEC環(huán)境的θja通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算便可推斷出芯片溫度”。JEDEC環(huán)境的θja是用芯片功耗除以芯片溫度和周?chē)鷾囟戎畹玫降闹?，也就是芯片通過(guò)封裝向周?chē)鷤鬟f的熱量的熱阻(Thermal Resistance) ，機(jī)身和底板的外部尺寸等測(cè)量環(huán)境以及測(cè)量方法均根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。半導(dǎo)體廠(chǎng)商有時(shí)會(huì)公開(kāi)JEDEC環(huán)境的熱阻，因此可輕松獲得。

與實(shí)際情況的差異是問(wèn)題所在

不過(guò)，θja原本是評(píng)測(cè)封裝散熱性能的數(shù)值，因此如果采用實(shí)際電子設(shè)備的話(huà)，假設(shè)就會(huì)有很大不同。中村以車(chē)載ECU（電子控制單元）為實(shí)例，把通過(guò)流體解析仿真（Simulation）獲得的芯片溫度值與采用JEDEC環(huán)境的θja計(jì)算出的芯片溫度值進(jìn)行了比較。對(duì)比達(dá)到一定溫度的功耗時(shí)，根據(jù)JEDEC環(huán)境的θja與機(jī)身內(nèi)部溫度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，比根據(jù)流體解析獲得的數(shù)值少了28％。另一方面，根據(jù)JEDEC環(huán)境的θja和機(jī)身外部溫度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，比根據(jù)流體解析獲得的數(shù)值高出了57％。

此前一般認(rèn)為，“考慮到安全因素，高估芯片溫度的話(huà)，可避免出現(xiàn)故障，不會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題”。不過(guò)，最近對(duì)準(zhǔn)確估計(jì)芯片溫度的要求越來(lái)越高。因?yàn)槿绻吖佬酒瑴囟鹊脑?huà)，就會(huì)導(dǎo)致配備散熱片（Heat Sink）等多余的冷卻功能，從而導(dǎo)致成本增加、尺寸難以減小。

使用Ψjt以代替θja

中村認(rèn)為，要想求出芯片溫度，就應(yīng)該使用從芯片向封裝表面?zhèn)鳠釙r(shí)的熱參數(shù)Ψjt。Ψjt與θja一樣都是在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下被定義的，半導(dǎo)體廠(chǎng)商有時(shí)會(huì)將其公開(kāi)。Ψjt的特點(diǎn)是雖然它是芯片和封裝表面之間實(shí)際熱阻的標(biāo)準(zhǔn)值，但還考慮到了用于推斷芯片溫度以及經(jīng)由底板的傳熱路徑。中村表示，雖然帶有不對(duì)封裝表面采取散熱措施的條件，但可推斷出誤差較小的芯片溫度。在上述ECU實(shí)例中，通過(guò)Ψjt得出的芯片溫度與通過(guò)流體解析得出的結(jié)果基本相同。

中村帶有自我批評(píng)的意味指出，此前半導(dǎo)體廠(chǎng)商對(duì)于公開(kāi)Ψjt并不太積極。因?yàn)樘闊?。因此，此次中村開(kāi)發(fā)出了能夠以低成本求出Ψjt的方法，并呼吁半導(dǎo)體廠(chǎng)商采用。中村推薦的方法是對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的封裝進(jìn)行三維流體解析，從而可輕松求出結(jié)構(gòu)相同而尺寸各異的封裝的Ψjt。由此可降低Ψjt開(kāi)發(fā)的總成本。半導(dǎo)體廠(chǎng)商如果采用這種方法，即便所有封裝均不進(jìn)行流體解析，也能夠以低成本向用戶(hù)提供Ψjt。

這種方法的具體步驟如下。首先，采用三維流體解析仿真，求出表示封裝向周?chē)鷤鳠釙r(shí)的熱阻與封裝外形尺寸關(guān)系的近似公式。在推算和使用近似公式時(shí)，需要知道芯片向封裝傳熱時(shí)的熱阻，而如果采用制作半導(dǎo)體封裝部件熱解析模型的工具，例如美國(guó)明導(dǎo)科技（Mentor Graphics）的“FloTHERM.PACK”等，便可輕松獲得。向近似公式中代入熱阻等數(shù)值后便可求出尺寸各異的封裝的Ψjt，。中村表示，通過(guò)這種方法計(jì)算出的BGA封裝的Ψjt值與采用三維流體解析求出的數(shù)值相比，在±5％以?xún)?nèi)是一致的。

通過(guò)虛擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)故障

中村結(jié)束演講后，緊接著日本日置電機(jī)技術(shù)總部開(kāi)發(fā)支援課設(shè)計(jì)支援小組協(xié)調(diào)員（Coordinator）水出博司上臺(tái)發(fā)表了演講。水出以“CAE Based Design ～前期工作（Front Loading）實(shí)錄～”為題，以該公司產(chǎn)品為例就通過(guò)虛擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)故障的重要性發(fā)表了演講。

該公司的記錄儀“Memory Hi Corder 8860”是以高性能而著稱(chēng)的產(chǎn)品，不過(guò)密集封裝的設(shè)計(jì)和連接器未連接等制造失誤、以及由于使用不當(dāng)造成排氣口堵塞等主要因素疊加在一起，就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部樹(shù)脂因熱變形等故障?！凹词关?zé)備制造失誤和用戶(hù)的使用方法不當(dāng)也無(wú)濟(jì)于事。有效利用CAE設(shè)想到各種故障、開(kāi)發(fā)出堅(jiān)固的產(chǎn)品才能提高產(chǎn)品價(jià)值”