文章來源：老虎說芯

原文作者：老虎說芯

如果將芯片封裝比作“房屋結構”，那么熱仿真就像在建造前做“房屋通風模擬”。在圖紙階段先預測各房間是否通風良好、哪些地方會悶熱，從而優化設計布局。一旦完工后再發現通風問題，改動代價就會非常高。

熱管理在芯片封裝中的重要性

高性能芯片的發熱量與日俱增：隨著集成度和性能的提高，芯片功耗越來越高，熱量聚集會導致芯片內部溫度快速上升。

溫度直接影響可靠性和壽命：半導體器件工作溫度過高會加速老化，甚至造成瞬時失效，就像發動機過熱會導致機件故障一樣。

封裝是散熱的關鍵通道：封裝不僅要保證芯片的電氣連接和機械保護，同時也是芯片向外部環境散熱的主要路徑，如果散熱設計不佳，熱量會“悶”在芯片內部。

封裝結構的復雜性帶來更高的散熱需求

多材料、多層結構：現代封裝包含引線框架(或基板)、塑封材料、焊料、支撐層、散熱片等多種材料，材料之間的熱傳遞特性差異很大。

形狀和尺寸多樣：不同封裝形態(QFN、BGA、Flip Chip等)在尺寸、厚度以及散熱通路上千差萬別，需要針對不同封裝架構進行差異化的熱評估。

先進封裝與系統集成：像3D封裝、Chiplet等新技術將多顆芯片堆疊在一起，使封裝體內的熱流路徑更復雜，傳統的經驗公式很難準確預測內部溫升。

熱仿真在開發早期的作用

幫助評估初步設計可行性：在封裝設計圖紙階段，利用熱仿真可以快速判斷“散熱瓶頸”在哪里，從而避免后期大規模改動。

縮短開發周期，降低試錯成本：如果只依賴試驗驗證，需要先做樣品、反復測量、再修正設計。熱仿真相當于在“虛擬實驗室”中先完成大部分篩選，減少實際打樣次數。

提升產品可靠性：通過在仿真中“預演”極端應用場景（高溫、高功耗），可以優化散熱路徑、選用更合適的材料組合，減少過熱造成的失效風險。

熱仿真如何指導散熱設計優化

局部優化與全局平衡：熱仿真可顯示芯片封裝內部溫度分布，就像交通模擬能顯示擁堵路段一樣。這樣能直觀看到哪一部分過熱、哪一部分散熱資源富余，從而對材料厚度、散熱器位置或封裝形態做出有針對性的調整。

協同考慮其他因素：在封裝設計中，電氣性能、機械強度、成本等都很重要，熱仿真結果可以與這些設計需求協同考慮，確保最終方案在溫度、安全和成本之間的平衡。

支持封裝到系統級分析：熱仿真并不僅限于封裝本身，后續還可以把封裝熱模型與整機的系統熱分析結合，驗證在整機或模塊環境下是否依然能夠滿足溫度要求。

從仿真到制造的價值延伸

參數優化和良率提升：通過對封裝熱阻、傳熱系數等多參數的仿真分析，有助于在流片或封測階段提高工藝窗口和良率。

減少過度設計，節約成本：過度加強散熱會增加材料和工藝成本，熱仿真能幫助工程師定量判斷所需的散熱能力，不至于“盲目加料”。

更好地服務后續產品迭代：封裝熱仿真模型可以復用、迭代，對于系列化產品開發或后續升級，工程團隊能快速基于已有仿真基礎做出調整。

總結

對于芯片封裝，熱仿真能夠在早期發現并解決散熱瓶頸，保證芯片運行的可靠性和長壽命，同時還能降低試驗和材料成本，縮短研發周期。

簡而言之，芯片封裝需要熱仿真，正是為了在設計早期就能精準評估、優化散熱路徑，降低潛在的過熱風險和后期返工成本，并最終提升產品的可靠性和競爭力。