CAE熱仿真中的芯片物性等效建模方法分析

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準確、高效的仿真模型是完成虛擬仿真、實現(xiàn)精確設計、指導實際應用等功能的重要基礎。在電力電子電能變換領域 不同設計階段和應用背景下，對仿真模型的特性、精度和仿真速度有著不同要求。因此，根據(jù)需求提供滿足一定要求的仿真模型是建模工作的關鍵。

本文在于研究用 ANSYS icepak/Flotherm建模的時候，主要探討對芯片等材料屬性的選取與設置，以及本體模型如何構建。文中給出相關材料屬性的方法探討也同樣適用于其他CAE軟件的建模。

在利用Flotherm或者Ansys Icepak等軟件對電子產(chǎn)品進行熱仿真時，一個避免不了話題就是如何對各種各樣的芯片進行建模，這主要是因為芯片種類眾多，而且內(nèi)部結構相當復雜。

工程師通常無法獲得芯片內(nèi)部的具體結構信息，只能草草的按芯片的外形尺寸畫一個BLOCK了事。實際上，業(yè)界對此已有應對措施，這就是Compact thermal modeling-壓縮熱模型。

本文將詳細介紹元件的方塊模型，詳細模型和壓縮熱模型，講解如何在熱仿真中使用這三種模型。

元件模型分類

在熱仿真中，按照元件的建模方式，可以將元件模型分為三類，這就是方塊模型，詳細模型和壓縮熱模型。其中，壓縮模型又可以分為雙熱組模型和Delphi模型，如下圖所示。

方塊模型

方塊模型，英文寫作Cuboid，是熱仿真中最簡單的元件模型。顧名思義，即以一個與元件外形尺寸一致的方塊來代替元件，然后為此元件賦予一個集總的熱傳導系數(shù)和熱損耗來進行熱仿真，如下圖所示。

方塊模型的優(yōu)點：

模型簡單，建模速度快

網(wǎng)格少

可以用于估計模型周圍的空氣溫度和PCB溫度

方塊建模的缺點：

無法得到元件結溫

需要估計模型集總熱傳導系數(shù)

元件溫度仿真精度不高

通過上面方塊模型的優(yōu)缺點分析，我們可以得知，當一個芯片的損耗較小，發(fā)熱不是很嚴重時，且對其結溫不是很關心時，可以選擇方塊模型來進行建模。對于芯片模型的熱傳導系數(shù)，建議采用軟件材料庫內(nèi)的材料，如果材料庫沒有對應的元件封裝，則建議塑膠封裝按5W/mK，陶瓷封裝按20W/mK來進行設置。如果在熱仿真中發(fā)現(xiàn)該方塊模型的溫度比較高，則建議采用其它建模方式來進行建模。

詳細模型

詳細模型，英文寫作Detail thermal model，很多文獻里簡稱為DTM，即Detail thermal model的縮寫。詳細模型理解起來很簡單，即按照芯片元件的外部和內(nèi)部的詳細尺寸，材料建立元件模型。下圖為一QFN芯片的詳細模型與實物的對比。

詳細模型優(yōu)點：

仿真精度高

可以得到精確的結溫

可以得到精確的殼溫

詳細模型缺點：

由于芯片廠商怕泄露芯片設計，模型內(nèi)部結構難以甚至不可能得到

網(wǎng)格非常多

通過上面的詳細模型優(yōu)缺點分析，我們可以得知，雖然詳細模型的仿真精度非常高，但是由于對于系統(tǒng)里的仿真來說，非常難以得到芯片的內(nèi)部結構信息，對于系統(tǒng)級的仿真來說，并不適用。通常情況下來說，僅適用芯片生產(chǎn)廠家使用。

壓縮熱模型

如前所述，由于方塊模型的仿真精度不高，且無法得到模型結溫，而詳細模型雖然精度高且可以得到結溫，但是對于系統(tǒng)級的仿真來說，又通常難以得到芯片內(nèi)部結構。

有鑒于此，業(yè)界提出了壓縮熱模型這一概念并制定了相關的標準。壓縮熱模型，英語寫作Comapct thermal model，通常簡寫為CTM。壓縮熱模型這一概念是在熱阻模型的基礎上產(chǎn)生的，其定義如下：

元件封裝內(nèi)包括一個完整的電路，且其溫度可以由內(nèi)部一結點的溫度來代替，即我們通常說的元件結溫

元件安裝于PCB板上

元件內(nèi)部產(chǎn)生的熱從元件內(nèi)部流到：

元件上表面，再經(jīng)過元件上表面流到空氣中或者散熱器中

元件側面

元件底面或者元件引腳，再通過元件底面和引腳流到PCB上

利用熱阻網(wǎng)絡來表示熱流途徑

元件每個外表面可以視作一個溫度結點，或者可以將每個外表面細分為多個溫度結點

在仿真實際中，通常根據(jù)JEDEC15標準，將壓縮熱模型分為雙熱阻模型和Delphi多熱阻模型。

雙熱阻模型

雙熱阻模型，英文為2 Resistances，簡寫為2R。在雙熱阻模型中，假定元件工作時產(chǎn)生的熱僅會從元件上表面和元件底面或者引腳傳出，不會從元件側面?zhèn)鞒觥Ｒ虼?，可以使用元件結點到殼結點的熱阻和元件結點到PCB板的熱阻來建立元件模型。雙熱阻模型示意圖如下圖所示。

假設一塊PCB板上僅有一個元件，則當使用雙熱阻模型來對此元件進行建模時，其熱傳遞途徑如下圖所示，從圖中我們可以清晰的看出，元件結點到殼結點的熱阻和元件結點到PCB板的熱阻兩者之間為并聯(lián)關系。

雙熱阻模型優(yōu)點：

模型簡單

網(wǎng)格少

模型參數(shù)比較少，僅兩個，且容易得到，部分可以從芯片規(guī)格書查知或者直接向廠家索取

對于模型周圍的空氣溫度和PCB溫度，仿真精度比方塊模型高

可以得到結溫

雙熱阻模型缺點：

由于忽視了元件側面，引腳等較多的的熱傳遞途徑，仿真精度在某些情況下達不到要求

通過上面的分析，可以得出以下結論，雙熱阻模型仿真精度比方塊模型高，但是與芯片真實散熱情況還有距離。在系統(tǒng)級的仿真中，可以利用雙熱阻模型得到精確的芯片周圍空氣溫度和PCB板溫度，以及不是那么精確的結溫，其結溫誤差最大可達20%。

Delphi模型

Delphi模型，有時也稱之為Multi Resistances模型，即多熱阻模型。與雙熱阻模型相比，多熱阻模型增加了更多的節(jié)點，可以考慮更多的散熱途徑。下圖為一QFP芯片的Delphi模型，在此模型中，除了考慮元件頂面和底面的熱傳遞外，還增加了元件引腳到PCB的熱阻，同時更將芯片頂面和底面分為內(nèi)部節(jié)點和外部節(jié)點，增加了元件結點到它們的熱阻值。

下圖為另一QFP模型的結點示意圖。

Delphi模型優(yōu)點：

模型簡單

網(wǎng)格少

對于模型周圍的空氣溫度和PCB溫度，仿真精度比2R模型高

可以得到準確的結溫

Delphi模型缺點

需要輸入的熱阻參數(shù)較多，且不可能從芯片規(guī)格書查知，需要向廠家索取

使用Delphi模型，可以得到比較準確的元件結溫和模型周圍的空氣溫度以及PCB溫度，因此，在條件允許的情況下，應盡量向廠家索取Delphi模型或者熱阻值以進行仿真。


審核編輯 黃宇