預(yù)測(cè)元器件溫度的10項(xiàng)提示—高級(jí)操作指南

摘要：

元器件溫度預(yù)測(cè)在很多方面都有重要意義。歷史上，元器件溫度關(guān)系到可靠性，早期研究認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)故障率與元器件溫度相關(guān)。近來(lái)，基于物理學(xué)的可靠性預(yù)測(cè)將電子組件的故障率與工作周期(上電、關(guān)斷、上電 ...)內(nèi)的溫度變化幅度和溫度變化率關(guān)聯(lián)起來(lái)，而這兩個(gè)因素均受穩(wěn)態(tài)工作溫度的影響。故障常常歸結(jié)于焊點(diǎn)疲勞。在某些應(yīng)用中，例如計(jì)算，溫度會(huì)對(duì) CPU 速度產(chǎn)生不利影響;而在另一些情況下，元器件必須在極為相似的溫度下運(yùn)行，以免產(chǎn)生時(shí)序問(wèn)題。高溫會(huì)導(dǎo)致閂鎖等運(yùn)行問(wèn)題。無(wú)論是要提高可靠性、改善性能，還是要避免運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題，精確的元器件溫度預(yù)測(cè)都有助于熱設(shè)計(jì)人員達(dá)成目標(biāo)。

盡可能地提高元器件溫度預(yù)測(cè)的確定度

借助可靠、精確的元器件溫度預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)人員可以了解設(shè)計(jì)值與最大容許[1]溫度的接近程度。本文討論如何在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中實(shí)現(xiàn)高保真度元器件溫度預(yù)測(cè)，并提高最終仿真結(jié)果的可信度。

1為關(guān)鍵元器件明確建模

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)關(guān)鍵元器件的溫度，作為熱仿真的一部分，應(yīng)當(dāng)為元器件明確建模，這可以說(shuō)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(shí)際的。對(duì)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(wú)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(gè)電路板，或者作為電路板上的封裝熱源。在設(shè)計(jì)后期，當(dāng)從EDA 系統(tǒng)導(dǎo)入已填充的電路板時(shí)，Simcenter Flotherm軟件和Simcenter Flotherm PCB軟件提供的篩選選項(xiàng)會(huì)自動(dòng)完成這些操作。 較大的元器件可能會(huì)阻礙氣流，因而需要直接表示為三維對(duì)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(duì)熱敏感、最高容許溫度也較低。 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?yàn)槠錈峁芾砗蛯?duì)鄰近元器件的影響對(duì)產(chǎn)品的整體熱設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)的展開并且掌握更多信息后，有必要重新審視應(yīng)當(dāng)以離散方式為哪些元器件建模。在設(shè)計(jì)早期，可能只能使用元器件的最大額定功率來(lái)代替其可能功耗的估算值。個(gè)別元器件以及整個(gè)電路板的功率預(yù)算會(huì)隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行而改變，因此需要定期重新檢查。 元器件的功率估算值可以通過(guò)多種方法獲得，例如使用Siemens Digital Industries Software Modelsim創(chuàng)建基于 RTL 的功率估算。

3使用正確的封裝熱模型

往期文章“簡(jiǎn)化 PCB 熱設(shè)計(jì)的 10 提示” [參考文獻(xiàn)1]中介紹了元器件熱模型。元器件熱模型的選擇取決于多個(gè)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(jì)中，精確預(yù)測(cè)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(jì)的深入，當(dāng) PCB 模型可以優(yōu)化時(shí)，元器件熱模型也應(yīng)當(dāng)優(yōu)化。 選擇極為合適的元器件熱模型是一個(gè)迭代過(guò)程,因?yàn)槿绻骷念A(yù)測(cè)溫度很高[2]則說(shuō)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。

4盡早在設(shè)計(jì)中使用簡(jiǎn)化熱模型

在參考文獻(xiàn) 1 中，我們談到了需要為元器件精確建模，并且應(yīng)當(dāng)在選擇封裝之前的熱設(shè)計(jì)中就使用元器件的三維表示，此外還介紹了雙熱阻和DELPHI 簡(jiǎn)化熱模型。下面將更詳細(xì)地討論這些模型的預(yù)測(cè)精度。 1.可能是結(jié)溫或殼溫，在元器件產(chǎn)品說(shuō)明中指定。

2.在設(shè)計(jì)早期，“高溫”所指的設(shè)計(jì)安全裕量相當(dāng)大。

雙熱阻模型

如前所述，雙熱阻簡(jiǎn)化熱模型(CTM) 是保真度最低的模型，能夠預(yù)測(cè)殼溫和結(jié)溫。使用雙熱阻模型的一個(gè)好處是，除了簡(jiǎn)單的導(dǎo)熱塊以外,它不需要任何其他網(wǎng)格，因此對(duì)仿真時(shí)間無(wú)不利影響。雖然其計(jì)算量極小，但在最壞情況下,結(jié)溫預(yù)測(cè)的誤差可能高達(dá)±30%，而且會(huì)因封裝類型和尺寸而有所不同。 該模型所基于的結(jié)-殼熱陽(yáng)和結(jié) - 電路板熱阻指標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量的。JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量。測(cè)量結(jié)- 殼熱阻時(shí)需將封裝頂部壓在冷板上。因此，應(yīng)用條件與測(cè)試條件越接近，雙熱阻模型的預(yù)測(cè)精度就越高。對(duì)于結(jié)-殼熱阻，極為接近測(cè)試環(huán)境的應(yīng)用環(huán)境是當(dāng)元器件有一個(gè)散熱器貼附整個(gè)封裝表面時(shí)。因此，雙熱阻模型可用來(lái)初步評(píng)估所需散熱器的尺寸。

注意：雙熱阻模型的上表面是一個(gè)代表外殼的等溫節(jié)點(diǎn)，這意味著散熱器的基座是等溫的。因此，雙熱阻模型可用來(lái)確定降低散熱器空氣側(cè)熱陽(yáng)所需的緒片數(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緒片的熱量不會(huì)受過(guò)度限制的基座厚度。

RC 階梯模型

對(duì)于具有單一熱流路徑的封裝，如 LED 和 TO式封裝，有一種JDEC 標(biāo)準(zhǔn)方法[參考文獻(xiàn)2] 可用于測(cè)量從結(jié)點(diǎn)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(guò)某種方式估算該熱阻，那么就可以使用西門子瞬態(tài)熱測(cè)試儀 Simcenter T3STER [TM]軟件來(lái)創(chuàng)建一個(gè)考慮這種情況的 RC 階梯熱模型。 Simcenter T3STER 是業(yè)界領(lǐng)先的解決方案，可用于測(cè)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(dāng)應(yīng)用環(huán)境接近測(cè)試?yán)浒瀛h(huán)境時(shí)，例如將封裝焊接到 MCPCB或高熱導(dǎo)率板上的銅焊盤時(shí)，這些模型可提供出色的結(jié)果。

DELPHI模型

DELPHI 模型得名于 Flomerics 在二十世紀(jì)90 年代后期協(xié)調(diào)開發(fā)的 DELPHI 項(xiàng)目。這些模型分割了上下表面，并用一個(gè)熱阻矩陣將這些表面連接到結(jié)點(diǎn)和/或彼此連接。利用這些附加的內(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(cè)的最壞情況結(jié)溫精度都在± 10%范圍內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，DELPHI模型足以應(yīng)付大多數(shù)詳細(xì)熱設(shè)計(jì)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(guò)仿真獲得額外信息 (例如芯片表面的溫度分布)的情況。

詳細(xì)模型

詳細(xì)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?yàn)閭€(gè)別封裝鍵合線等特性常常 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。

圖 1: 芯片封裝的詳細(xì)熱模型

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。 對(duì)于需要散熱器、風(fēng)扇組件或?qū)釅|等特定熱管理解決方案的元器件，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)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(huì)影響散熱器內(nèi)的溫度分布，反之亦然。[參考文獻(xiàn)3]為此，建議針對(duì)此類用途使用詳細(xì)封裝熱模型。 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。 對(duì)于需要散熱器、風(fēng)扇組件或?qū)釅|等特定熱管理解決方案的元器件，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)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(huì)影響散熱器內(nèi)的溫度分布，反之亦然。l"考文3 為此，建議針對(duì)此類用途使用詳細(xì)封裝熱模型。

圖 2: 顯示了焊球的 BGA 裝下側(cè)的溫度分布

詳細(xì)模型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)測(cè)焊接互連的溫度，它是影響焊點(diǎn)壽命的主要因素。

5根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建自己的模型

實(shí)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。Simcenter Flotherm是業(yè)界領(lǐng)先的電子散熱軟件，Simcenter T3STER則被廣大半導(dǎo)體公司和封裝廠用來(lái)鑒定產(chǎn)品特生。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(jì)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 利用Simcenter Flotherm PACK，負(fù)責(zé)精確預(yù)觀元器件溫度的系統(tǒng)集成商可以根據(jù)通用輸入數(shù)據(jù)創(chuàng)建在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段使用的熱模型,包括雙熱阻模型、DELPHI 模型和詳細(xì)模型。該工具以向?qū)榛A(chǔ)，只需很少的工作量就能獲得一個(gè)代表性模型，然后在有新信息可用時(shí)進(jìn)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(gè)封裝樣式的Simcenter Flotherm PACK 工作表，以說(shuō)明需要哪些信息才能創(chuàng)建熱模型。

圖3 : Simcenter Flotherm PACK

6使用功率映射

隨著芯片變得越來(lái)越薄，芯片本身作為散熱器的效率越來(lái)越低芯片表面上的溫度變化也越來(lái)越大。因此將結(jié)溫作為芯片表面上變化的數(shù)值而不是作為單一數(shù)值來(lái)考慮的做法越來(lái)越普遍使用簡(jiǎn)化模型時(shí)，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(dāng)提供適合與指定的最高容許結(jié)溫進(jìn)行比較的數(shù)值。一般而言，必須限制的是最高結(jié)溫。 詳細(xì)模型可預(yù)測(cè)整個(gè)封裝的溫度變化，包括芯片。為了精確預(yù)測(cè)芯片上的溫度分布，有必要計(jì)入芯片有效表面上的有效功率變化。對(duì)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(gè)芯片可能有多個(gè)功率映射與之關(guān)聯(lián)。除此之外，還有一個(gè)漏電功率，它與局部溫度相關(guān)，因而會(huì)隨有效功率而加劇。 功率映射可以從功率分析工具中導(dǎo)出，并作為CSV (逗號(hào)分隔的變量) 文件提供。供應(yīng)商常常會(huì)對(duì)這些文件進(jìn)行粗化處理，以提供包含多達(dá) 50 個(gè)不同功率區(qū)域的功率映射。

圖 4：帶芯片功率映射的多芯片封裝詳細(xì)模型 對(duì)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(dāng)利用監(jiān)控點(diǎn)來(lái)監(jiān)控該區(qū)域的中心溫度。

7通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證詳細(xì)模型

利用瞬態(tài)熱測(cè)試技術(shù)，可以對(duì)照實(shí)驗(yàn)來(lái)校準(zhǔn)模型中的有效熱阻和熱容。 為了應(yīng)對(duì)這種不確定性，可以利用 Simcenter T3STER 來(lái)測(cè)量實(shí)際封裝的響應(yīng)，然后調(diào)整仿真模型的屬性來(lái)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)響應(yīng)。這樣，對(duì)于所有邊界條件，以及在瞬態(tài)仿真期間的所有時(shí)候都能使封裝內(nèi)結(jié)溫升幅的預(yù)測(cè)精度達(dá)到僅百分之幾的水平。這代表了封裝熱建模技術(shù)的極高水準(zhǔn)。 對(duì)于封裝設(shè)計(jì)人員而言，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的詳細(xì)熱模型確保了封裝內(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(duì)設(shè)計(jì)、材料和處理進(jìn)行改進(jìn)的先決條件，同時(shí)也是基于有限元的應(yīng)力預(yù)測(cè)的基本條件。 從最終用戶的角度而言，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的詳細(xì)熱模型是任何定制散熱器設(shè)計(jì)的理想起點(diǎn)。

8設(shè)計(jì)定制散熱器解決方案

至此，我們已選擇標(biāo)準(zhǔn)散熱器設(shè)計(jì)來(lái)確保元器件能夠充分散熱，但這可能只是一個(gè)次優(yōu)解決方案。 定制散熱器設(shè)計(jì)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(kuò)散，然后沿其周邊流回封裝主體。 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(jì)可以先于電路板布線開始。

9精確獲取熱學(xué)界面材料熱阻

利用 Simcenter T3STER DynTIM 可以精確測(cè)量熱學(xué)界面材料(TIM) 的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 [參考文獻(xiàn)5]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(rùn)濕的程度取決于很多因素，如總熱阻 (包括TIM 各個(gè)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(gè)重要因素,因此精確的 TIM 總熱阻數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)元器件溫度十分重要。

10為機(jī)械應(yīng)力預(yù)測(cè)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(duì)熱應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便更好地適應(yīng)元器件在應(yīng)用環(huán)境中會(huì)經(jīng)受到的應(yīng)力。 從 Simcenter Flotherm 第 10 版開始，可以導(dǎo)出組件溫度以用于有限元應(yīng)力工具，從而將熱應(yīng)變當(dāng)作應(yīng)力計(jì)算的邊界條件。溫度智能地映射到有限元網(wǎng)格上，系統(tǒng)會(huì)修正兩種分析學(xué)科之間可能存在的幾何對(duì)象形狀差異?？紤]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。

結(jié)語(yǔ)

本文概要介紹了元器件溫度預(yù)測(cè)的重要考慮事項(xiàng)。內(nèi)容并未窮盡所有情況，有許多細(xì)節(jié)未予涉及。如果您負(fù)責(zé)確保元器件溫度不超過(guò)規(guī)定限值，并且希望了解西門子熱設(shè)計(jì)軟件有何幫助,以及哪種產(chǎn)品適合您的應(yīng)用, 請(qǐng)與我們?nèi)〉寐?lián)系。 Simcenter 還提供了連接 Xcelerator Share 的機(jī)會(huì)Xcelerator Share 是以工程為中心的云解決方案尤為適合協(xié)同;借助 Xcelerator share，各種規(guī)模的團(tuán)隊(duì)都可以通過(guò)合適的訪問(wèn)控制與關(guān)鍵利益相關(guān)方安全地展開合作，包括設(shè)計(jì)師、經(jīng)理測(cè)試工程師、供應(yīng)商、客戶等。這樣便打造了以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的可擴(kuò)展工作空間，可以更靈活地開發(fā)產(chǎn)品。項(xiàng)目成員可以隨時(shí)在任何設(shè)備上查看和批注設(shè)計(jì)、共享仿真模板和審核仿真結(jié)果。

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審核編輯：湯梓紅