在電子設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)中，散熱問題一直是影響設(shè)備性能和可靠性的關(guān)鍵因素。尤其是隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的集成度越來越高，功率密度也越來越大，散熱問題變得愈發(fā)嚴(yán)峻。在這種背景下，熱阻作為衡量材料或系統(tǒng)對(duì)熱量傳遞阻礙能力的重要物理量，在電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)中具有至關(guān)重要的地位。
熱阻（Thermal Resistance）是熱傳遞路徑上的 “阻力標(biāo)尺”，類似于電路中的電阻限制電流，熱阻限制熱流。其定義為物體兩端溫度差（ΔT，單位：℃或 K）與通過它的熱功率（P，單位：瓦特，W）的比值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Rθ = ΔT / P。熱阻越大，熱越不容易傳導(dǎo)，物體溫度就會(huì)越高。例如，若某散熱器的熱阻為 0.5℃/W，當(dāng)芯片功耗為 10W 時(shí)，散熱器兩端溫差將達(dá) 5℃。
芯片內(nèi)部發(fā)熱結(jié)（Junction）與封裝外殼（Case）之間的熱阻，反映封裝內(nèi)部的導(dǎo)熱能力。計(jì)算公式為 RθJC = (Tj - Tc) / PH，通常在標(biāo)準(zhǔn)冷卻條件（如強(qiáng)制風(fēng)冷）下測(cè)量，外殼需與散熱器緊密接觸。其影響因素包括基板材料（陶瓷 / 塑料 / 金屬）、TIM（導(dǎo)熱界面材料）性能、芯片與基板的連接工藝（如焊線、倒裝焊）等。典型值方面，陶瓷封裝（如 QFN）可能低至 1 - 5℃/W，塑料封裝（如 LQFP）可能高達(dá) 10 - 30℃/W。
芯片結(jié)到周圍環(huán)境的總熱阻，綜合反映封裝、PCB、散熱器及空氣對(duì)流的散熱能力。計(jì)算公式為 RθJA = (Tj - TA) / PH，測(cè)試條件分為自然對(duì)流（RθJA - NA）和強(qiáng)制風(fēng)冷（RθJA - FA），結(jié)果差異顯著。影響因素有 PCB 銅箔面積、散熱孔設(shè)計(jì)、空氣流動(dòng)速度、封裝高度（如 BGA 比 QFN 更易散熱）等。小封裝（如 SOT - 23）可能高達(dá) 200 - 500℃/W，大功率封裝（如 TO - 220）可能低至 10 - 30℃/W。
芯片結(jié)到 PCB 板（Board）的熱阻，反映熱量通過封裝底部傳導(dǎo)至 PCB 的能力。計(jì)算公式為 RθJB = (Tj - TB) / PH，測(cè)量時(shí)芯片底部與 PCB 緊密接觸，測(cè)量點(diǎn)位于 PCB 下方特定距離（如 1mm 或 2mm）。影響因素包括封裝底部金屬層厚度、PCB 銅箔面積和層數(shù)、焊盤設(shè)計(jì)等。帶散熱焊盤的 QFN 封裝可能低至 10 - 20℃/W，無(wú)焊盤的 SOP 封裝可能高達(dá) 50℃/W 以上，適用于優(yōu)化 PCB 散熱設(shè)計(jì)，尤其適用于無(wú)散熱器的密閉空間設(shè)備。
封裝外殼與散熱器之間的熱阻，反映接觸界面的導(dǎo)熱效率。計(jì)算公式為 RθCS = (TC - TCS) / PH，影響因素有接觸壓力、導(dǎo)熱膏 / 墊的材質(zhì)與厚度、表面粗糙度等。優(yōu)質(zhì)導(dǎo)熱膏（如硅脂）可將 RθCS 降至 0.1 - 0.5℃/W，而空氣間隙可能導(dǎo)致 RθCS 超過 1℃/W，可用于指導(dǎo)散熱器安裝工藝，避免因接觸不良導(dǎo)致散熱失效。
芯片結(jié)到封裝頂部的熱阻，反映熱量通過封裝頂部散出的效率。計(jì)算公式為 RθJT = (Tj - Tt) / PH，適用于頂部散熱設(shè)計(jì)（如加裝散熱片或風(fēng)扇），常見于高功率 LED 或功率模塊。金屬頂蓋封裝（如 TO - 247）可能低至 5 - 10℃/W，塑料封裝可能高達(dá) 50℃/W 以上。
以公司的一款 DDR4 芯片為例，該芯片采用 9 片 die 堆疊設(shè)計(jì)，采用兩半（4 個(gè) die 和 5 個(gè) die）進(jìn)行堆疊。
本次仿真采用 Ansys Icepak 進(jìn)行模擬，評(píng)估 BGA321 封裝在不同熱路徑下的熱阻性能。仿真條件為環(huán)境溫度 25℃，功率 6.75W，PCB 類型 2s2p，散熱方式為自然對(duì)流。
在 JA 環(huán)境中，溫在 5 個(gè)芯片堆疊的芯片上表面，計(jì)算可得熱阻 JA 為 17.55℃/W。RθJA 反映了芯片到環(huán)境空氣的整體散熱能力，在自然對(duì)流條件下 RθJA 的典型值為 20 - 100℃/W。該芯片 RθJA 小于典型值，說明熱量更容易散熱到環(huán)境當(dāng)中，芯片有很好的環(huán)境散熱性能。
在 JB 環(huán)境中，溫在 5 個(gè)芯片堆疊的芯片上表面，計(jì)算得熱阻 JB 為 11.61℃/W。RθJB 表示芯片通過封裝底部向 PCB 傳遞熱量的能力，在自然對(duì)流條件下，RθJB 典型值為 5 - 20℃/W。該芯片 RθJB 在典型值范圍內(nèi)，說明芯片通過 PCB 板散熱的能力較好，適用于高功率場(chǎng)景。
在 JC 環(huán)境中，溫在 5 個(gè)芯片堆疊的芯片底面，計(jì)算得熱阻 JC 為 3.65℃/W。RθJC 是芯片到封裝外殼的熱阻，在自然對(duì)流條件下，RθJC 典型值為 1 - 10℃/W。該芯片 RθJC 在典型范圍內(nèi)，說明芯片通過封裝外殼散熱的性能較好，封裝導(dǎo)熱性好，便于安裝散熱器和導(dǎo)熱墊。
可以使用高導(dǎo)熱材料或者增加散熱層，提高 PCB 覆銅率來提高 PCB 面熱導(dǎo)率。如提高覆銅率至 80%，PCB 面內(nèi)熱導(dǎo)率可以提升至 150W/m*K，預(yù)計(jì)可以降溫 6℃ - 8℃。
當(dāng)前塑封料熱導(dǎo)率較低，為 1W/mK，根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，計(jì)算出當(dāng)前塑封料熱阻為 4.8℃/W，占系統(tǒng)總熱阻的 27%?？梢試L試將塑封料熱導(dǎo)率提升至 5W/mK，預(yù)計(jì)結(jié)溫可以降低 5℃左右。
當(dāng)前 RθJC 為 3.65℃/W，說明封裝頂部是高效散熱路徑。可以添加頂部散熱器，或者采用高導(dǎo)熱界面材料，來進(jìn)一步優(yōu)化散熱降低結(jié)溫。
