瑞萨提出新的芯片温度推测法

瑞萨科技就半导体芯片温度的推测方法发表了演讲。目前，在普遍使用的基于JEDEC环境的推测方法中，芯片温度估计过高的情况非常多。以上内容是瑞萨科技生产总部技术开发总部系统封装设计部的中村笃在2009年9月4日于日本东京品川区召开的“EDA Tech Forum 2009（EDA技术论坛2009）”上发表的。

设备厂商等设计电路底板时，需要推断半导体芯片的温度，以便抑制芯片温度上升，采取散热措施。中村指出，“许多人误以为根据JEDEC环境的θja通过简单计算便可推断出芯片温度”。JEDEC环境的θja是用芯片功耗除以芯片温度和周围温度之差得到的值，也就是芯片通过封装向周围传递的热量的热阻(Thermal Resistance) ，机身和底板的外部尺寸等测量环境以及测量方法均根据JEDEC标准参数。半导体厂商有时会公开JEDEC环境的热阻，因此可轻松获得。

与实际情况的差异是问题所在

不过，θja原本是评测封装散热性能的数值，因此如果采用实际电子设备的话，假设就会有很大不同。中村以车载ECU（电子控制单元）为实例，把通过流体解析仿真（Simulation）获得的芯片温度值与采用JEDEC环境的θja计算出的芯片温度值进行了比较。对比达到一定温度的功耗时，根据JEDEC环境的θja与机身内部温度进行计算时，比根据流体解析获得的数值少了28％。另一方面，根据JEDEC环境的θja和机身外部温度进行计算时，比根据流体解析获得的数值高出了57％。

此前一般认为，“考虑到安全因素，高估芯片温度的话，可避免出现故障，不会产生什么问题”。不过，最近对准确估计芯片温度的要求越来越高。因为如果高估芯片温度的话，就会导致配备散热片（Heat Sink）等多余的冷却功能，从而导致成本增加、尺寸难以减小。

使用Ψjt以代替θja

中村认为，要想求出芯片温度，就应该使用从芯片向封装表面传热时的热参数Ψjt。Ψjt与θja一样都是在JEDEC标准环境下被定义的，半导体厂商有时会将其公开。Ψjt的特点是虽然它是芯片和封装表面之间实际热阻的标准值，但还考虑到了用于推断芯片温度以及经由底板的传热路径。中村表示，虽然带有不对封装表面采取散热措施的条件，但可推断出误差较小的芯片温度。在上述ECU实例中，通过Ψjt得出的芯片温度与通过流体解析得出的结果基本相同。

中村带有自我批评的意味指出，此前半导体厂商对于公开Ψjt并不太积极。因为太麻烦。因此，此次中村开发出了能够以低成本求出Ψjt的方法，并呼吁半导体厂商采用。中村推荐的方法是对多个结构相同的封装进行三维流体解析，从而可轻松求出结构相同而尺寸各异的封装的Ψjt。由此可降低Ψjt开发的总成本。半导体厂商如果采用这种方法，即便所有封装均不进行流体解析，也能够以低成本向用户提供Ψjt。

这种方法的具体步骤如下。首先，采用三维流体解析仿真，求出表示封装向周围传热时的热阻与封装外形尺寸关系的近似公式。在推算和使用近似公式时，需要知道芯片向封装传热时的热阻，而如果采用制作半导体封装部件热解析模型的工具，例如美国明导科技（Mentor Graphics）的“FloTHERM.PACK”等，便可轻松获得。向近似公式中代入热阻等数值后便可求出尺寸各异的封装的Ψjt，。中村表示，通过这种方法计算出的BGA封装的Ψjt值与采用三维流体解析求出的数值相比，在±5％以内是一致的。

通过虚拟验证发现故障

中村结束演讲后，紧接着日本日置电机技术总部开发支援课设计支援小组协调员（Coordinator）水出博司上台发表了演讲。水出以“CAE Based Design ～前期工作（Front Loading）实录～”为题，以该公司产品为例就通过虚拟验证发现故障的重要性发表了演讲。

该公司的记录仪“Memory Hi Corder 8860”是以高性能而著称的产品，不过密集封装的设计和连接器未连接等制造失误、以及由于使用不当造成排气口堵塞等主要因素叠加在一起，就会出现内部树脂因热变形等故障。“即使责备制造失误和用户的使用方法不当也无济于事。有效利用CAE设想到各种故障、开发出坚固的产品才能提高产品价值”