元器件溫度預(yù)測為什么很重要？

元器件溫度預(yù)測在很多方面都有重要意義。一直以來，元器件溫度關(guān)系到可靠性，早期研究認為現(xiàn)場故障率與穩(wěn)態(tài)元器件溫度相關(guān)。近來，基于物理學的可靠性預(yù)測將電子組件的故障率與工作周期（開機、關(guān)機又開機等）內(nèi)的溫度變化幅度和溫度變化率關(guān)聯(lián)起來，而這兩個因素均受穩(wěn)態(tài)工作溫度的影響。

電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障，往往是因為電路板上連接處的焊點年久松動。在某些應(yīng)用場景中（如計算），性能是關(guān)鍵，溫度過高會導(dǎo)致速度越來越慢。在其他場景中，組件必須在非常相似的溫度下運行，以避免出現(xiàn)時序問題。高溫會導(dǎo)致閉鎖等運行問題。無論是要提高可靠性、改善性能，還是要避免運行中出現(xiàn)問題，精確的元器件溫度預(yù)測都有助于熱設(shè)計人員達成目標。

盡可能地提高元器件溫度預(yù)測的確定度

借助可靠、精確的元器件溫度預(yù)測，設(shè)計人員可以了解設(shè)計值與最大容許*溫度的接近程度。本白皮書討論如何在整個設(shè)計流程中實現(xiàn)高保真度元器件溫度預(yù)測，并提高最終仿真結(jié)果的可信度。

*可能是結(jié)溫或殼溫，在元器件產(chǎn)品說明中指定。

1為關(guān)鍵元器件明確建模

為了準確預(yù)測關(guān)鍵元器件的溫度，作為熱仿真的一部分，應(yīng)當為元器件明確建模，這可以說是不言而喻的。然而，并非所有元器件都需要建模，而且這樣做常常是不切實際的。對熱不是特別敏感的低功率密度的小元器件，可以視為熱良性，無需以離散方式表示。這些元器件產(chǎn)生的熱量可以作為背景熱源應(yīng)用于整個電路板，或者作為電路板上的封裝熱源。在設(shè)計后期，當從 EDA 系統(tǒng)導(dǎo)入已填充的電路板時，Simcenter提供的篩選選項會自動完成這些操作。

較大的元器件可能會阻礙氣流，因而需要直接表示為三維對象。屬于這種情況的一類元器件是電源等所使用的電解電容。它們對熱敏感，最高容許溫度也較低。對電解電容進行明確建模有助于防止超過最高溫度 ^[1]^ 。

大型高功率元器件和高功率密度的元器件需要以離散方式建模，因為其熱管理和對鄰近元器件的影響對產(chǎn)品的整體熱設(shè)計十分重要。

2使用正確的功率估算值

如上所述，是否有必要表示一個元器件，部分程度上直接取決于其功率密度，即元器件功率除以封裝面積。

隨著設(shè)計的展開并且掌握更多信息后，有必要重新審視應(yīng)當以離散方式為哪些元器件建模。在設(shè)計早期，可能只能使用元器件的最大額定功率來代替其可能功耗的估算值。個別元器件以及整個電路板的功率預(yù)算會在設(shè)計期間逐步更改，因此需要定期重新檢查。

例如，西門子 EDA 的 Xpedition AMS 可用于估算元器件的功率，它將電子電路仿真擴展到標準的時域和頻域分析之外，如今還可以實現(xiàn) Xpedition 電路板設(shè)計流程中的高級性能仿真和虛擬系統(tǒng)內(nèi)驗證，包括電熱仿真。

圖 2：功率與時間曲線示例

3使用正確的封裝熱模型

我們的白皮書《簡化 PCB 熱設(shè)計的 10 大技巧》 ^[2]^ 中介紹了元器件熱模型。元器件熱模型的選擇取決于多個因素。

在電路板布線之前或尚不知道電路板中層數(shù)的早期設(shè)計中，精確預(yù)測元器件溫度是不可能的，因此不需要元器件的精密熱模型。隨著設(shè)計的深入，當 PCB 模型可以優(yōu)化時，元器件熱模型也應(yīng)當優(yōu)化。

選擇極為合適的元器件熱模型是一個迭代過程，因為如果元器件的預(yù)測溫度很高*，則說明不僅需要優(yōu)化元器件的熱模型，還可能需要考慮元器件專用熱管理解決方案。熱管理解決方案可以涵蓋電路板設(shè)計問題，例如通過使用熱通孔將熱量傳導(dǎo)到埋在地下的地平面。

*在設(shè)計早期，“高溫”所指的設(shè)計安全裕量相當大。

4盡早在設(shè)計中使用簡化熱模型

參考文獻 2 討論了在選擇封裝之前，要對元器件進行精確建模，并在熱設(shè)計中使用元器件的三維圖。引入了雙熱阻簡化模型和 DELPHI 簡化熱模型。下面將更詳細地討論這些模型和其他熱模型的預(yù)測精度。

雙熱阻模型

如前所述，雙熱阻簡化熱模型 (CTM) 是保真度最低的模型，能夠預(yù)測殼溫和結(jié)溫。使用雙熱阻模型的一個好處是，除了簡單的導(dǎo)熱塊以外，它不需要任何其他網(wǎng)格，因此對仿真時間無不利影響。雖然其計算量最小，但在最壞情況下，結(jié)溫預(yù)測的誤差可能高達±30%，而且會因封裝類型和尺寸而有所不同。

該模型所基于的結(jié)-殼熱阻和結(jié)-電路板熱阻指標是在標準條件下測量的。JEDEC 標準 JESD15-3 要求結(jié)-電路板熱阻在具有連續(xù)電源和接地平面層的 2s2p 電路板上測量。測量結(jié)-殼熱阻時，需將封裝頂部壓在冷板上。因此，應(yīng)用條件與測試條件越接近，雙熱阻模型的預(yù)測精度就越高。對于結(jié)-殼熱阻，極為接近測試環(huán)境的應(yīng)用環(huán)境是當元器件有一個散熱器貼附整個封裝表面時。因此，雙熱阻模型可用來初步評估所需散熱器的尺寸。

注意，雙熱阻模型的上表面是一個代表外殼的等溫節(jié)點，這意味著散熱器的基座將維持近等溫狀態(tài)。因此，雙熱阻模型可用來確定降低散熱器空氣側(cè)熱阻所需的鰭片數(shù)量、厚度和高度，但不能確定為了充分散熱以確保傳遞到外部鰭片的熱量不會受過度限制的基座厚度。

RC 階梯模型

對于具有單一熱流路徑的封裝，如 LED 和 TO 式封裝，有一種 JEDEC 標準方法 ^[3]^ 可用于測量從結(jié)點至封裝調(diào)整片的熱流路徑的熱阻-熱容模型。注意，這種方法并不直接向封裝的裸露上表面提供熱阻。然而，如果能通過某種方式估算該熱阻，那么就可以使用 Simcenter Micred T3STER 硬件創(chuàng)建一個考慮這種情況的 RC 階梯熱模型。

Simcenter Micred T3STER 是業(yè)界領(lǐng)先的解決方案，可用于測量封裝 IC 以創(chuàng)建相應(yīng)的熱模型，從而直接用作Simcenter Flotherm 中的網(wǎng)絡(luò)組件。與僅包含熱阻的雙熱阻模型不同，這些模型還包含熱容，因此可用于瞬態(tài)仿真。當應(yīng)用環(huán)境接近測試冷板環(huán)境時，例如將封裝焊接到 MCPCB 或高熱導(dǎo)率板上的銅焊盤時，這些模型可提供出色的結(jié)果。

DELPHI 模型

DELPHI 模型得名于 Flomerics 有限公司在二十世紀90 年代后期協(xié)調(diào)開發(fā)的 DELPHI 項目。這些模型分割了上下表面，并用一個熱阻矩陣將這些表面連接到結(jié)點和/或彼此連接。這些附加的內(nèi)部熱阻可根據(jù)邊界條件調(diào)整流經(jīng)這些封裝內(nèi)部路徑的熱量。在很多應(yīng)用中，該模型預(yù)測的最壞情況結(jié)溫精度都在±10% 范圍內(nèi)。一般來說，DELPHI 模型足以應(yīng)付大多數(shù)詳細熱設(shè)計工作，但以下情況除外：熱特性極為關(guān)鍵的封裝，疊層或三維 IC，以及需要通過仿真獲得額外信息（例如芯片表面的溫度分布）的情況。與雙電阻模型一樣，它們只包含電阻，所以只能用于穩(wěn)態(tài)模擬。

詳細模型

詳細模型是以離散方式為封裝內(nèi)部所有熱相關(guān)特性建模的熱模型。注意，這些模型常常包含一定程度的近似，因為個別封裝鍵合線和焊球等特性常常是集總考慮的。然而，此類模型的目的是為了精確反映封裝內(nèi)部的溫度分布。使用的幾何形狀和材料屬性正確的話，此類模型可提供極高的保真度。

圖 3：芯片封裝的詳細熱模型

對于需要散熱器、風扇組件或?qū)釅|等特定熱管理解決方案的元器件，應(yīng)當詳細建模以便正確優(yōu)化散熱解決方案。例如，就散熱器而言，眾所周知，封裝內(nèi)的溫度分布會影響散熱器內(nèi)的溫度分布，反之亦然。 ^[4]^ 為此，建議針對此類用途使用詳細封裝熱模型。

詳細模型的另一個優(yōu)點是可以預(yù)測焊接互連的溫度。熱機械剪應(yīng)力加上溫度變化，是影響焊點壽命的主要壓力源。

圖 4：顯示了個別焊球的 BGA 封裝下側(cè)的溫度分布

BCI-ROM

就預(yù)測元器件溫度方面，最近的先進技術(shù)是使用降階模型，即 ROM。ROM 現(xiàn)在可獨立于邊界條件 (BCI) 創(chuàng)建，而不用針對某個特定的熱環(huán)境 ^[5]^ 。這就意味著，BCI-ROM 可由封裝供應(yīng)商獨立于熱環(huán)境創(chuàng)建，并提供給最終用戶用于模擬特定的熱環(huán)境。它們的格式有原始矩陣、SPICE、VHDL-AMS 和 FMU。Simcenter 內(nèi)部有一系列 BCI-ROM的編創(chuàng)選項。

BCI-ROM 還有其他理想的特征：

●它們是高度精確的，創(chuàng)建過程中要明確規(guī)定精確度（通常大于 98%）

●支持多個熱源

●支持所有瞬態(tài)時間尺度

●隱藏敏感 IP，因為從中推導(dǎo)出這些 IP 的母體詳細模型的內(nèi)部幾何形狀無法從 ROM 中進行逆向工程

●報告供應(yīng)商定義的適當結(jié)溫，而供應(yīng)商不必透露該溫度在模型中的位置。

●比詳細模型更快地解決數(shù)量級問題^[6]^

圖 5：PartQuest Explore 中手機關(guān)鍵元器件的 BCI-ROM

這個方法的主要優(yōu)勢是這些模型可以包含在電路模擬器中，比如 Xpedition AMS 和 PartQuest Explore，讓電路模擬器可以感知溫度，這是設(shè)計早期準確估算功率的關(guān)鍵點。

在三維 CFD 模擬器中使用 BCI-ROM 有可能徹底改變封裝熱模型供應(yīng)鏈，而且 BCI-ROM 也可以為整個電路板創(chuàng)建。

5根據(jù)需要創(chuàng)建自己的模型

實踐中，熱模型的選擇在很大程度上可能取決于供應(yīng)商提供了哪些信息。時至今日，我們發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商可能只以數(shù)據(jù)表的形式提供信息，例如 PDF 格式，而這些信息可能不包含基本熱設(shè)計所需的信息。例如，數(shù)據(jù)表可能只包含一個結(jié)點到環(huán)境的熱阻，這個數(shù)據(jù)無法用于設(shè)計，只能用于性能比較。JEDEC 發(fā)布了JEP181 ^[7]^ ，這是一種用于熱模擬數(shù)據(jù)交換的標準文件格式。它基于 XML 標準，使用西門子開發(fā)的 ECXML 技術(shù)，即“電子散熱可擴展標記語言”的簡稱。

Simcenter Flotherm 是業(yè)界領(lǐng)先的電子散熱軟件，Simcenter Micred T3STER 硬件則被廣大半導(dǎo)體公司和封裝廠用來鑒定產(chǎn)品特性。Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm PCB 和 Simcenter Flotherm XT提供的熱模型多于任何其他熱設(shè)計工具，其中包含了很多領(lǐng)先供應(yīng)商的模型。Simcenter Flotherm PACK 的客戶群中大約有 30% 是 IC 封裝供應(yīng)商公司的用戶。大多數(shù)用戶是在終端用戶公司，創(chuàng)建自己富有代表性的封裝熱模型。

憑借 Simcenter Flotherm PACK（SaaS 解決方案）和Simcenter Package Creator，負責精確預(yù)測元器件溫度的系統(tǒng)集成商可以根據(jù)通用輸入數(shù)據(jù)創(chuàng)建在設(shè)計流程的各個階段使用的熱模型，包括雙熱阻模型、DELPHI模型和詳細模型。這些工具以向?qū)榛A(chǔ)，內(nèi)置智能默認值，輕松構(gòu)建一個代表性模型。然后運用不斷輸入的新信息進行優(yōu)化。

如果供應(yīng)商沒有提供元器件的熱模型，可以向供應(yīng)商提供用于各個封裝樣式的 Simcenter Flotherm PACK工作表，以說明需要哪些信息才能創(chuàng)建熱模型。

圖 6：Simcenter Flotherm Package Creator

6使用功率映射

隨著芯片變得越來越薄，芯片本身作為散熱器的效率越來越低，芯片表面上的溫度變化也越來越大。因此，越來越多的人認為結(jié)溫不是單一的數(shù)字，這個溫度在芯片表面會發(fā)生變化，即使在單一的芯片封裝中也是如此。基于 2.5D 芯片和 3D 封裝的先進封裝設(shè)計要復(fù)雜得多，因此更適合作為 BCI-ROM 的代表，以捕捉其熱復(fù)雜性。

使用簡化模型時，結(jié)溫將作為單一數(shù)值考慮，模型（若由供應(yīng)商提供）應(yīng)當提供適合與指定的最高容許結(jié)溫進行比較的數(shù)值。一般而言，必須限制的是最高結(jié)溫。供應(yīng)商還應(yīng)明確說明如何從模擬中獲得這個數(shù)字。因此，如果是結(jié)溫，還應(yīng)指出在芯片表面的何處位置進行測量。

詳細模型可預(yù)測整個封裝的溫度變化，包括芯片。為了精確預(yù)測芯片上的溫度分布，有必要計入芯片有效表面上的有效功率變化。對于較復(fù)雜的芯片（例如片上系統(tǒng)），這通常與芯片執(zhí)行的功能有關(guān)，因此一個芯片可能有多個功率映射與之關(guān)聯(lián)。除此之外，還有一個漏電功率，它與局部溫度相關(guān)，因而會隨有效功率而加劇。

功率映射可以從 mPower 等功率分析工具中導(dǎo)出，并作為 CSV（逗號分隔的變量）文件提供。供應(yīng)商常常會對這些文件進行粗化處理，以提供包含多達 50 個（甚至更多）不同功率區(qū)域的功率映射。

對于各功率映射的穩(wěn)態(tài)仿真中發(fā)現(xiàn)的具有最高溫度的區(qū)域，應(yīng)當利用監(jiān)控點來監(jiān)控該區(qū)域的中心溫度。

圖 7：帶芯片功率映射的多芯片封裝詳細模型

7通過實驗驗證詳細模型

利用瞬態(tài)熱測試技術(shù)，可以對照實驗來校準模型中的有效熱阻和熱容。

為了應(yīng)對這種不確定性，可以利用 Simcenter Micred T3STER 來測量實際封裝的響應(yīng)，然后調(diào)整仿真模型的屬性來適應(yīng)實驗響應(yīng)。這樣，對于所有邊界條件，以及在瞬態(tài)仿真期間的所有時候，都能使封裝內(nèi)結(jié)溫升幅的預(yù)測精度達到僅百分之幾的水平。這代表了封裝熱建模的巔峰，模型校準的過程在 Simcenter 中是完全自動化的，只需要用戶指定要改變的參數(shù)和允許的值范圍。

如果是高功率封裝，如能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用的 IGBT 和MOSFET，在 Simcenter Micred 功率測試儀中完成熱表征最為便捷，它將熱表征與主動功率循環(huán)相結(jié)合，用于這類器件的可靠性預(yù)測和故障模式檢測。

圖 8：初始（左）與最終（右）的結(jié)構(gòu)功能擬合成一個封裝^[8]^

對于封裝設(shè)計人員而言，經(jīng)過驗證的詳細熱模型（也可能以 BCI-ROM 形式交付）確保了封裝內(nèi)部的溫度分布是正確的，并且決定了其翹曲量和在結(jié)構(gòu)上與 PCB 的相互作用，因此它是后續(xù)對設(shè)計、材料和處理進行改進的先決條件，同時也是基于有限元的應(yīng)力預(yù)測的基本條件。

對于封裝設(shè)計人員而言，經(jīng)過驗證的詳細熱模型（也可能以 BCI-ROM 形式交付）確保了封裝內(nèi)部的溫度分布是正確的，并且決定了其翹曲量和在結(jié)構(gòu)上與 PCB 的相互作用，因此它是后續(xù)對設(shè)計、材料和處理進行改進的先決條件，同時也是基于有限元的應(yīng)力預(yù)測的基本條件。

從最終用戶的角度而言，經(jīng)過驗證的詳細熱模型或 BCI-ROM 是任何定制散熱器設(shè)計的理想起點。

8設(shè)計定制散熱器解決方案

至此，我們已選擇標準散熱器設(shè)計來確保元器件能夠充分散熱，但這可能只是一個次優(yōu)解決方案。

定制散熱器設(shè)計優(yōu)化的目的是盡可能地提高熱傳遞效率，以盡量縮小系統(tǒng)壓降和散熱器背后形成的尾流區(qū)。還可以優(yōu)化散熱器與封裝主體之間的接觸區(qū)域，防止熱量在散熱器基座中擴散，然后沿其周邊流回封裝主體。

圖 9：在 Simcenter FLOEFD 中仿真平面外位移放大的 PCB 中熱力學效應(yīng)引起的 Von Mises 應(yīng)力。

注意，封裝之外的主要熱流路徑將是流入散熱器，因此定制散熱器的設(shè)計可以先于電路板布線開始。這一點很重要，因為電路板表面的空間可能需要預(yù)留給散熱器的連接，所以會受到散熱器底座的尺寸影響。如果在開始布線之前沒有設(shè)計或選擇一個合適的散熱器，可能造成 PCB 設(shè)計至少要重新調(diào)整一次。

9精確獲取熱界面材料熱阻

利用 Simcenter Micred TIM Tester^[9]^ 可以精確測量熱界面材料 (TIM) 的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，從而為特定應(yīng)用（例如元器件與散熱器之間）選擇理想的 TIM 材料。根據(jù)所選的材料不同，表面得到潤濕的程度取決于很多因素，如總熱阻（包括 TIM 各個面上的界面熱阻）等。值得注意的是，TIM 的熱阻可能是結(jié)溫升高的一個重要因素，因此精確的 TIM 總熱阻數(shù)據(jù)對于準確預(yù)測元器件溫度十分重要。

10為機械應(yīng)力預(yù)測提供精確溫度

隨著 IC 封裝面臨的挑戰(zhàn)愈演愈烈，封裝供應(yīng)商發(fā)現(xiàn)需要針對熱應(yīng)力進行設(shè)計，以便更好地適應(yīng)元器件在應(yīng)用環(huán)境中會經(jīng)受到的應(yīng)力。

Simcenter 為用于有限元分析的溫度和熱模型幾何形狀提供了高效的工作流程，并將熱應(yīng)變作為應(yīng)力計算的邊界條件。在 Simcenter 中，溫度智能地映射到有限元網(wǎng)格上，系統(tǒng)會修正兩種分析學科之間可能存在的幾何對象形狀差異。考慮范圍內(nèi)的組件可能包括封裝、散熱器（若已安裝）以及焊接了元器件的電路板部分等。

從最終用戶的角度而言，經(jīng)過驗證的詳細熱模型或 BCI-ROM 是任何定制散熱器設(shè)計的理想起點。

結(jié)語

本白皮書概要介紹了元器件溫度預(yù)測的重要考慮事項。內(nèi)容并未窮盡所有情況，有許多細節(jié)未予涉及。如果您負責確保元器件溫度不超過規(guī)定限值，并且希望了解 Simcenter 熱設(shè)計軟件有何幫助，以及哪種產(chǎn)品適合您的應(yīng)用， 請與我們?nèi)〉寐?lián)系！

審核編輯：湯梓紅