元器件溫度預(yù)測的十大技巧

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(rèn)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(xué)的可靠性預(yù)測將電子組件的故障率與工作周期（開機(jī)、關(guān)機(jī)又開機(jī)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(gè)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?yàn)殡娐钒迳线B接處的焊點(diǎn)年久松動(dòng)。在某些應(yīng)用場景中（如計(jì)算），性能是關(guān)鍵，溫度過高會(huì)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(yùn)行，以避免出現(xiàn)時(shí)序問題。高溫會(huì)導(dǎo)致閉鎖等運(yùn)行問題。無論是要提高可靠性、改善性能，還是要避免運(yùn)行中出現(xiàn)問題，精確的元器件溫度預(yù)測都有助于熱設(shè)計(jì)人員達(dá)成目標(biāo)。

盡可能地提高元器件溫度預(yù)測的確定度

借助可靠、精確的元器件溫度預(yù)測，設(shè)計(jì)人員可以了解設(shè)計(jì)值與最大容許*溫度的接近程度。本白皮書討論如何在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中實(shí)現(xiàn)高保真度元器件溫度預(yù)測，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(zhǔn)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(dāng)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(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。對(duì)電解電容進(jìn)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?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)在設(shè)計(jì)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(kuò)展到標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)域和頻域分析之外，如今還可以實(shí)現(xiàn) Xpedition 電路板設(shè)計(jì)流程中的高級(jí)性能仿真和虛擬系統(tǒng)內(nèi)驗(yàn)證，包括電熱仿真。

圖 2：功率與時(shí)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(jì)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(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)迭代過程，因?yàn)槿绻骷念A(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(jì)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(jì)早期，“高溫”所指的設(shè)計(jì)安全裕量相當(dāng)大。

4盡早在設(shè)計(jì)中使用簡化熱模型

參考文獻(xiàn) 2 討論了在選擇封裝之前，要對(duì)元器件進(jìn)行精確建模，并在熱設(shè)計(jì)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(xì)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(gè)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(duì)仿真時(shí)間無不利影響。雖然其計(jì)算量最小，但在最壞情況下，結(jié)溫預(yù)測的誤差可能高達(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)-殼熱阻和結(jié)-電路板熱阻指標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)條件下測量的。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 電路板上測量。測量結(jié)-殼熱阻時(shí)，需將封裝頂部壓在冷板上。因此，應(yīng)用條件與測試條件越接近，雙熱阻模型的預(yù)測精度就越高。對(duì)于結(jié)-殼熱阻，極為接近測試環(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(huì)受過度限制的基座厚度。

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 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)方法 ^[3]^ 可用于測量從結(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(gè)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(dāng)應(yīng)用環(huán)境接近測試?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 有限公司在二十世紀(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。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(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(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(xì)熱模型

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。 ^[4]^ 為此，建議針對(duì)此類用途使用詳細(xì)封裝熱模型。

詳細(xì)模型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)測焊接互連的溫度。熱機(jī)械剪應(yīng)力加上溫度變化，是影響焊點(diǎn)壽命的主要壓力源。

圖 4：顯示了個(gè)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(jìn)技術(shù)是使用降階模型，即 ROM。ROM 現(xiàn)在可獨(dú)立于邊界條件 (BCI) 創(chuàng)建，而不用針對(duì)某個(gè)特定的熱環(huán)境 ^[5]^ 。這就意味著，BCI-ROM 可由封裝供應(yīng)商獨(dú)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(xiàng)。

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(gè)熱源

●支持所有瞬態(tài)時(shí)間尺度

●隱藏敏感 IP，因?yàn)閺闹型茖?dǎo)出這些 IP 的母體詳細(xì)模型的內(nèi)部幾何形狀無法從 ROM 中進(jìn)行逆向工程

●報(bào)告供應(yīng)商定義的適當(dāng)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(xì)模型更快地解決數(shù)量級(jí)問題^[6]^

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

這個(gè)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(jì)早期準(zhǔn)確估算功率的關(guān)鍵點(diǎn)。

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(gè)電路板創(chuàng)建。

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。時(shí)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(jì)所需的信息。例如，數(shù)據(jù)表可能只包含一個(gè)結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻，這個(gè)數(shù)據(jù)無法用于設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)文件格式。它基于 XML 標(biāo)準(zhǔn)，使用西門子開發(fā)的 ECXML 技術(shù)，即“電子散熱可擴(kuò)展標(biāo)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(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。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(fù)責(zé)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(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。這些工具以向?qū)榛A(chǔ)，內(nèi)置智能默認(rèn)值，輕松構(gòu)建一個(gè)代表性模型。然后運(yùn)用不斷輸入的新信息進(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(rèn)為結(jié)溫不是單一的數(shù)字，這個(gè)溫度在芯片表面會(huì)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(jìn)封裝設(shè)計(jì)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(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。供應(yīng)商還應(yīng)明確說明如何從模擬中獲得這個(gè)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(jìn)行測量。

詳細(xì)模型可預(yù)測整個(gè)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(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 mPower 等功率分析工具中導(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)（甚至更多）不同功率區(qū)域的功率映射。

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(xì)模型

7通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證詳細(xì)模型

利用瞬態(tài)熱測試技術(shù)，可以對(duì)照實(shí)驗(yàn)來校準(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 Micred T3STER 來測量實(shí)際封裝的響應(yīng)，然后調(diào)整仿真模型的屬性來適應(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)測精度達(dá)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(zhǔn)的過程在 Simcenter 中是完全自動(dòng)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(dòng)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(gè)封裝^[8]^

對(duì)于封裝設(shè)計(jì)人員而言，經(jīng)過驗(yàn)證的詳細(xì)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(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)測的基本條件。

對(duì)于封裝設(shè)計(jì)人員而言，經(jīng)過驗(yàn)證的詳細(xì)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(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)測的基本條件。

從最終用戶的角度而言，經(jīng)過驗(yàn)證的詳細(xì)熱模型或 BCI-ROM 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。

圖 9：在 Simcenter FLOEFD 中仿真平面外位移放大的 PCB 中熱力學(xué)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(jì)可以先于電路板布線開始。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)殡娐钒灞砻娴目臻g可能需要預(yù)留給散熱器的連接，所以會(huì)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(jì)或選擇一個(gè)合適的散熱器，可能造成 PCB 設(shè)計(jì)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(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)測元器件溫度十分重要。

10為機(jī)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(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。

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(jì)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(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。

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

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(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規(guī)定限值，并且希望了解 Simcenter 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！

審核編輯：湯梓紅