DDR4堆叠模组的热仿真案例分析

在电子设备的散热设计中，热阻（Thermal Resistance）是一个至关重要的物理量，它定量描述了材料或系统对热量传递的阻碍能力。从本质上看，热阻是热传递路径上的“阻力标尺”，其作用可类比于电路中的电阻——电阻限制电流，热阻则限制热流。

定义与公式：

热阻定义为物体两端温度差（ΔT，单位：℃或K）与通过它的热功率（P，单位：瓦特，W）的比值，数学表达式为：Rθ = ΔT / P。热阻越大表示热越不容易传导，因此物体温度就会越高。

这一公式揭示了热阻的核心意义：单位热功率下产生的温差。例如，若某散热器的热阻为0.5℃/W，当芯片功耗为10W时，散热器两端温差将达5℃。

一、热阻参数解析

常见热阻参数包括：结到外壳的热阻（RθJC），结到环境热阻（RθJA），结到板热阻（RθJB），外壳到散热器热阻（RθCS），结到顶部热阻（RθJT）。

图1：芯片热阻模型示意图

结到外壳的热阻

RθJC, Junction-to-Case Thermal Resistance

定义：芯片内部发热结（Junction）与封装外壳（Case）之间的热阻，反映封装内部的导热能力。

计算公式：RθJC = (Tj-Tc)/PH

测试条件：通常在标准冷却条件（如强制风冷）下测量，外壳需与散热器紧密接触。

影响因素：基板材料（陶瓷/塑料/金属）、TIM（导热界面材料）性能、芯片与基板的连接工艺（如焊线、倒装焊）。

典型值：陶瓷封装（如QFN）可能低至1-5℃/W，塑料封装（如LQFP）可能高达10-30℃/W。

结到环境热阻

RθJA, Junction-to-Ambient Thermal Resistance

定义：芯片结到周围环境的总热阻，综合反映封装、PCB、散热器及空气对流的散热能力。

计算公式：RθJA=(Tj-TA) /PH

测试条件：分为自然对流（RθJA-NA）和强制风冷（RθJA-FA），结果差异显著。

影响因素：PCB铜箔面积、散热孔设计、空气流动速度、封装高度（如BGA比QFN更易散热）。

典型值：小封装（如SOT-23）可能高达200-500℃/W，大功率封装（如TO-220）可能低至10-30℃/W。

结到板热阻

RθJB, Junction-to-Board Thermal Resistance

定义：芯片结到PCB板（Board）的热阻，反映热量通过封装底部传导至PCB的能力。

计算公式：RθJB=(Tj-TB )/PH

测试条件：芯片底部与PCB紧密接触，测量点位于PCB下方特定距离（如1mm或2mm）。

影响因素：封装底部金属层厚度、PCB铜箔面积和层数、焊盘设计。

典型值：带散热焊盘的QFN封装可能低至10-20℃/W，无焊盘的SOP封装可能高达50℃/W以上。

应用场景：优化PCB散热设计，尤其适用于无散热器的密闭空间设备。

外壳到散热器热阻

RθCS, Case-to-Sink Thermal Resistance

定义：封装外壳与散热器之间的热阻，反映接触界面的导热效率。

计算公式：RθCS=(TC-TCS )/PH

影响因素：接触压力、导热膏/垫的材质与厚度、表面粗糙度。

典型值：优质导热膏（如硅脂）可将RθCS降至0.1-0.5℃/W，而空气间隙可能导致RθCS超过1℃/W。

应用场景：指导散热器安装工艺，避免因接触不良导致散热失效。

结到顶部热阻

RθJT, Junction-to-Top Thermal Resistance

定义：芯片结到封装顶部的热阻，反映热量通过封装顶部散出的效率。

计算公式：RθJT=(Tj-Tt)/PH

应用场景：适用于顶部散热设计（如加装散热片或风扇），常见于高功率LED或功率模块。

典型值：金属顶盖封装（如TO-247）可能低至5-10℃/W，塑料封装可能高达50℃/W以上。

其中：

Tj：结温；

TA：环境温度；

TB：PCB板温度；

TC：外壳温度；

TCS：散热器温度；

Tt：封装顶部温度；

PH：总功耗。

二、案例分析

我们以公司的一个产品设计和热仿真结果作为真实案例，做一个热阻分析。这款DDR4芯片采用9片die堆叠设计，采用两半（4个die和5个die）进行堆叠。

图2：DDR4芯片封装示意图

下图是多芯片堆叠的热仿真结果。本次仿真采用Ansys Icepak进行模拟，旨在评估BGA321封装在不同热路径下的热阻性能。仿真条件如下：环境温度25℃，功率6.75W，PCB类型2s2p，散热方式为自然对流。

图3：RθJA

在JA环境中，最高温在5个芯片堆叠的芯片上表面，环境温度为25℃，功耗为6.75W,计算可得热阻JA为17.55℃/W。RθJA反映了芯片到环境空气的整体散热能力，在自然对流条件下RθJA的典型值为20~100℃/W。该芯片RθJA小于典型值，说明热量更容易散热到环境当中，芯片有很好的环境散热性能。

图4：RθJB

在JB环境中，最高温在5个芯片堆叠的芯片上表面，环境温度为25℃，功耗为6.75W,计算得热阻JB为11.61℃/W。RθJB表示芯片通过封装底部向PCB传递热量的能力，在自然对流条件下，RθJB典型值为5~20℃/W。该芯片RθJB在在典型值范围内，说明芯片通过PCB板散热的能力较好，即芯片热量向电路板传递的效率更高，可以适用于高功率场景。

图5：RθJC

在JC环境中，最高温在5个芯片堆叠的芯片底面，环境温度为25℃，功耗为6.75W，计算得热阻JC为3.65℃/W。RθJC是芯片到封装外壳的热阻，在自然对流条件下，RθJC典型值为1~10℃/W。该芯片RθJC在典型范围内，说明芯片通过封装外壳散热的性能较好，封装导热性好，便于安装散热器和导热垫。

三、热性能优化建议

如需进一步降低结温，优化散热路径，下列方法可供参考：

通过改进PCB设计，例如使用高导热材料或者增加散热层。也可以通过提高PCB覆铜率来提高PCB面热导率，如提高覆铜率至80%，PCB面内热导率可以提升至150W/m*K，预计可以降温6℃~8℃。

优化塑封料：随着塑封料热导率的增加，DDR 模组的最高温度会逐渐降低。当前塑封料热导率较低，为1W/m*K，根据傅里叶热传导定律，计算出当前塑封料热阻为4.8℃/W，占系统总热阻的27%。可以尝试将塑封料热导率提升至5W/m*K，预计结温可以降级5℃左右。

优化散热路径。当前RθJC为3.65℃/W，说明封装顶部是高效散热路径。可以添加顶部散热器，或者采用高导热界面材料，来进一步优化散热降低结温。

四、结论

在电子散热设计中，热阻是衡量芯片散热性能的核心指标，直接影响设备的可靠性与寿命。通过对 RθJA（结到环境）、RθJB（结到板）、RθJC（结到外壳）等关键参数的解析，我们可以精准评估芯片的散热路径效率，并针对性地优化设计。较低 RθJA 表明芯片整体散热性能优异，热量能高效传递至环境；较低 RθJB 反映 PCB 导热能力强，适合依赖电路板散热的场景；较低 RθJC 则说明封装内部导热路径高效，便于外接散热器提升散热能力。

通过优化 PCB 设计（如增加覆铜率、使用高导热材料）、改进封装工艺（如提升塑封料导热率）以及增强散热路径（如加装散热器），可显著降低芯片结温，确保其在高温、高负载下的稳定运行。精准的热阻分析与优化，是提升电子设备性能与可靠性的关键一步。