3D打印在芯片领域的一个经典应用是美国空军研究实验室（AFRL）和美国半导体通过3D打印制造的柔性硅芯片。新芯片的存储容量比任何同类产品大7,000倍，使其适合作为微控制器集成到其他物体中。
3D打印的硅芯片
而国内武汉大学采用金属有机框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作为原料，利用激光成功制备了颗粒大小均一的金属纳米晶粒。通过程序控制激光的开闭和光斑的移动实现了图案的制备，仅数十秒即可打印出由金属纳米晶粒构成的晶圆级别大小的芯片，整个过程完全在空气中进行，所需激光功率不到5瓦，适合规模化生产。
3D打印在电子领域的应用。来源：3D科学谷《3D打印与电子产品白皮书 1.0》
而对于芯片的开发来说，除了具备材料技术以及3D打印的经验，热仿真是关键的一环。本期，谷.专栏通过安世亚太的仿真专家分享《热仿真在芯片研发中的作用》以呈现芯片开发的别有洞天。
随着现代社会的智能化发展，在人类生活的各个角落，无论是汽车电子还是人工智能，再或是AR、VR，以及其他新科技应用领域，半导体芯片都是智能化控制的最基础、最核心的部分。高度集成的封装及电路控制可以帮助人类完成各种各样的工作。
使用ANSYS Icepak可以精确地计算芯片封装内部的热流分布，计算不同工况下的热阻数值，方便工程师洞悉芯片内部的热流路径，以进一步改善芯片的热流环境，提高其热可靠性。
洞悉芯片散热的别有洞天
为满足智能化、微型化的需求，芯片被最大程度地封装集成，多个芯片(chip）或并列封装于一个Package中，形成SIP(System In a Package)系统级封装，或进行Stacked堆叠封装,形成堆栈裸片封装。
高度集成化的芯片封装。来源：安世亚太
SIP系统级封装。来源：安世亚太
Stacked Die堆栈封装示意图。来源：安世亚太
众所周知，当电流流经导体时，必然会生成焦耳热，热量的不平均势必引起导体的热变形等不良现象，那么对于高度集成的芯片封装，在其工作时，芯片内部的热耗势必急剧增大，进而导致芯片内部温度升高，因此在芯片封装的研发过程中，芯片封装的过热问题必须得到良好的控制。
焦耳热引起的导体温升及热变形。来源：安世亚太
某芯片内部的电流云图某芯片的温度云图分布。来源：安世亚太
正如华为总裁任正非2018年接受记者采访时讲到“我们把芯片叠起来，但最大的问题是要把两个芯片中间的热量散出来，这也是尖端技术，所以说，热学将是电子工业中最尖端的科学，这方面我们的研究也是领先的，就是太抽象了”，那么在芯片封装的研发过程中，工程师可以使用ANSYS Icepak对芯片封装内部的热流场进行CAE仿真计算，也可以和ANSYS其他模块一起，进行芯片封装的多物理场耦合模拟计算，以便调控热流传递路径，更好地降低芯片Die的温度，提高其热可靠性。下图为某芯片内部的热流密度及温度云图，可以看出，芯片内部的温度极其不均匀。
ANSYS Icepak作为一款优异的电子热仿真软件，可以对芯片封装的各个尺度进行热流仿真计算，小到芯片内部0.25μm的沟道，大到cm厘米级别的封装、芯片，都可以对其进行有效精确的热流仿真计算。当前，在芯片封装的CAE热流计算中，主要是计算了芯片封装放置于JEDEC（美国联合电子设备工程协会）标准机箱内自然冷却、强迫对流情况下的热阻数值。芯片封装内的铜箔布线和过孔，是芯片热流最重要的传热路径，因此在对芯片进行详细的热流计算时，务必导入其布线过孔信息，以提高热仿真计算的精度。
封装的布线分布及精确的导热率云图。来源：安世亚太
芯片封装热流计算常见的几种热阻分类如下：
- 芯片封装的Rja热阻，表示芯片的结点Junction与外界空气的热阻，单位为℃/W，一般由芯片制造商提供。Rja热阻数值的大小，通常被用来判断芯片散热性能的好坏。下图表示某个芯片的Rja热阻数值（包括自然冷却和强迫风冷）。
某芯片封装的Rja数值。来源：安世亚太
Rja热阻通常包括两种，一种为将芯片放置于JEDEC标准的密闭测试机箱中，芯片通过自然冷却进行散热，即外侧风速为0，计算芯片封装的Rja；另一种为将芯片放置于JEDEC标准的风洞中，通过外界的强迫风冷对芯片进行散热，需要计算不同风速下的芯片Rja热阻，其中风洞垂直距离h应该大于测试电路板流向长度L的2倍，即h>2L。
封装Rja热阻（自然冷却）模型示意图。来源：安世亚太
封装Rja热阻（强迫风冷）模型示意图。来源：安世亚太
芯片Rja热阻的计算公式如下所示：
Rja=（Tj-Ta）/P
Rja表示芯片结点Junction至环境空气的热阻，℃/W；
Tj表示芯片Die的最高温度，℃；
Ta表示环境的空气温度，℃；
P表示芯片Die的热耗，W；Tj、Ta测量点示意图如下图所示。
Tj、Ta测量点示意图。来源：安世亚太
进行Rja计算时，芯片务必放置于电路板上，当芯片封装的尺寸小于27mm时，测试电路板的尺寸如下左图所示；当芯片封装尺寸大于等于27mm时，测试电路板的尺寸如下右图所示。
芯片尺寸小于27mm（左），芯片尺寸大于等于27mm（右）。来源：安世亚太
- 芯片封装的Rjc热阻，表示芯片封装的结点Die至芯片管壳Case顶部的热阻。将芯片封装放置于四周绝热的环境中，芯片封装仅仅通过管壳的顶部与外接环境进行换热，恒定的换热系数为25w/k.m2。Rjc测试的示意图如下图所示。
Rjc热阻测试示意图。来源：安世亚太
Rjc的计算公式为：
Rjc=（Tj-T_c）/P
Tj表示芯片Die的最高温度，℃；
Tc表示芯片管壳Case的最高温度，℃；
P表示芯片Die的热耗，W。
- 芯片封装的Rjb热阻，表示芯片封装的结点Die至电路板Board的热阻，其真实的测试示意图下图所示。芯片封装放置于Pcb电路板上，电路板长、宽方向的尺寸均大于芯片封装5mm，将芯片和电路板放置于密闭的空间内，电路板四周的面处于恒定的温度，芯片封装的热量只能通过电路板传导至电路板四周恒温的壁面。
Rjc热阻测试示意图。来源：安世亚太
芯片封装Rjb的计算公式为:
Rjb=（Tj-T_b）/P
Tj表示芯片Die的最高温度，℃；
Tb表示电路板board的温度，℃；
P表示芯片Die的热耗，W。
因此，使用ANSYS Icepak可以精确地计算芯片封装内部的热流分布，计算不同工况下的热阻数值，方便工程师洞悉芯片内部的热流路径，以进一步改善芯片的热流环境，提高其热可靠性。
关于3D打印在电子结构件领域的应用，请参考《3D打印与电子产品白皮书》。
王永康
北京科技大学工程热物理专业硕士，现任安世亚太科技股份有限公司ANSYS Icepak产品经理；工作至今，做过数十个电子产品热设计优化的咨询项目；擅长电子产品热设计基础理论培训、ANSYS Icepak软件基础培训、ANSYS Icepak软件高级培训、电子产品热设计导航培训、电子产品热设计优化咨询等领域。
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