半导体后端工艺之散热性能分析

散热性能分析

电子设备在运行时会消耗电能并产生热量。这种热量会提高包括半导体产品在内元件的温度，从而损害电子设备的功能性、可靠性和安全性。因此，电子设备必须配备适当的冷却系统，以确保元件在任何环境下均能保持在一定温度水平下。

鉴于散热性能在半导体封装中的重要作用，热分析也成为了一项必不可少的测试内容。因此，必须提前准确了解半导体封装在系统应用时产生的热量、封装材料与结构的散热效果、以及温度效应，并将其反应在封装设计中。

对半导体封装实施并使用热分析，我们需要定义封装的关键温度点，包括：环境温度（Ta）、结温（Tj）、壳温（Tc）和板温（Tb）。封装规格的温度通常为最高结温（Tj max.）或者最高壳温，这两点指的是确保半导体器件正常工作的最高温度。图3显示了封装原理示意图中的各个温度点。

▲图3：封装的关键温度点（ⓒ HANOL出版社）

对半导体封装实施并使用热分析，我们需要定义封装的关键温度点，包括：环境温度（Ta）、结温（Tj）、壳温（Tc）和板温（Tb）。封装规格的温度通常为最高结温（Tj max.）或者最高壳温，这两点指的是确保半导体器件正常工作的最高温度。图3显示了封装原理示意图中的各个温度点。

▲图4：封装中的热特性类型（ⓒ HANOL出版社）

使用封装的主要温度点可以计算出热阻，热阻是最重要的热保护特性。封装热阻是一个指数，单位为℃/W，表示当芯片产生1瓦热量时，半导体产品相对于环境温度所上升的温度。该比值根据每种产品和环境条件而变化。常见的热阻类型包括结到环境热阻（Ja）、结到板热阻（Jb）和结到壳热阻（Jc），它们是封装的抗热性指标。

电气模拟

▲图5：封装RLGC模型示例（ⓒ HANOL出版社）

随着半导体芯片传输速度的提升和密度的增大，封装也对半导体产品的特性产生重大影响。特别是在封装高性能半导体芯片时，必须要对封装状态进行精确的电气模拟。

为了预测由高性能半导体芯片的复杂布线引起的电气问题，需要使用诸如RLGC等模型。因此，电气模拟可以创建各种模型，并利用这些模型来预测高速数字系统中的数据传输用时、信号质量和形状精度。

在封装电气分析过程中，电气模型的基本元素包括电阻（Resistance）、电感（Inductance）和电容（Capacitance）。电阻的强度足以阻碍电流的流动，它与物体中的单位电流成反比。电感是电路中电流变化引起的电磁感应形成的反电动势的比率。最后，电容是电容器在单位电压作用下储存电荷的物理量。

▲图6：电气分析的不同方面（ⓒ HANOL出版社）

如图5所示，利用RLGC建模，可以预测的最重要特性，即信号完整性（SI）、电源完整性（PI）和电磁干扰（EMI）。信号完整性衡量的是电信号的质量，电源完整性衡量的是电源传输的质量。最后，EMI指电磁干扰，即辐射或传导的电磁波会干扰其他设备的运行的因素。因此，应提前检查噪声问题，尽可能缩短其发展周期，确保电源完整性和电源配送系统能够支持创建可靠的电路板。信号完整性、电源完整性和电磁干扰之间存在着密切的有机联系，因此，综合考量这三种特性的设计方案对于电气分析至关重要。

支持半导体行业发展

无论单个芯片性能如何提高，如果不能妥善管理封装内芯片和供电电网间连接路径的电磁特性，整体系统性能就无法得到保障。因此，封装设计工艺和相关分析对于确保芯片的运行和持续发展至关重要。通过遵循特定设计规则，可以创建具备最佳特性的半导体封装蓝图。随后可以通过结构分析、热分析和电气分析对封装特性进行优化。通过各阶段的设计和分析，最终可以满足市场对半导体的传输速度、集成度和性能方面日益增加的需求。






审核编辑：刘清