CAE熱仿真中的芯片物性等效建模方法分析

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準(zhǔn)確、高效的仿真模型是完成虛擬仿真、實(shí)現(xiàn)精確設(shè)計(jì)、指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用等功能的重要基礎(chǔ)。在電力電子電能變換領(lǐng)域 不同設(shè)計(jì)階段和應(yīng)用背景下，對(duì)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(guān)鍵。

本文在于研究用 ANSYS icepak/Flotherm建模的時(shí)候，主要探討對(duì)芯片等材料屬性的選取與設(shè)置，以及本體模型如何構(gòu)建。文中給出相關(guān)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(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真時(shí)，一個(gè)避免不了話題就是如何對(duì)各種各樣的芯片進(jìn)行建模，這主要是因?yàn)樾酒N類眾多，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。

工程師通常無法獲得芯片內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)信息，只能草草的按芯片的外形尺寸畫一個(gè)BLOCK了事。實(shí)際上，業(yè)界對(duì)此已有應(yīng)對(duì)措施，這就是Compact thermal modeling-壓縮熱模型。

本文將詳細(xì)介紹元件的方塊模型，詳細(xì)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(xì)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(jiǎn)單的元件模型。顧名思義，即以一個(gè)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(gè)集總的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱損耗來進(jìn)行熱仿真，如下圖所示。

方塊模型的優(yōu)點(diǎn)：

模型簡(jiǎn)單，建模速度快

網(wǎng)格少

可以用于估計(jì)模型周圍的空氣溫度和PCB溫度

方塊建模的缺點(diǎn)：

無法得到元件結(jié)溫

需要估計(jì)模型集總熱傳導(dǎo)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(diǎn)分析，我們可以得知，當(dāng)一個(gè)芯片的損耗較小，發(fā)熱不是很嚴(yán)重時(shí)，且對(duì)其結(jié)溫不是很關(guān)心時(shí)，可以選擇方塊模型來進(jìn)行建模。對(duì)于芯片模型的熱傳導(dǎo)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(duì)應(yīng)的元件封裝，則建議塑膠封裝按5W/mK，陶瓷封裝按20W/mK來進(jìn)行設(shè)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(jìn)行建模。

詳細(xì)模型

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

詳細(xì)模型優(yōu)點(diǎn)：

仿真精度高

可以得到精確的結(jié)溫

可以得到精確的殼溫

詳細(xì)模型缺點(diǎn)：

由于芯片廠商怕泄露芯片設(shè)計(jì)，模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以甚至不可能得到

網(wǎng)格非常多

通過上面的詳細(xì)模型優(yōu)缺點(diǎn)分析，我們可以得知，雖然詳細(xì)模型的仿真精度非常高，但是由于對(duì)于系統(tǒng)里的仿真來說，非常難以得到芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于系統(tǒng)級(jí)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(jié)溫，而詳細(xì)模型雖然精度高且可以得到結(jié)溫，但是對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的仿真來說，又通常難以得到芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。壓縮熱模型，英語寫作Comapct thermal model，通常簡(jiǎn)寫為CTM。壓縮熱模型這一概念是在熱阻模型的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其定義如下：

元件封裝內(nèi)包括一個(gè)完整的電路，且其溫度可以由內(nèi)部一結(jié)點(diǎn)的溫度來代替，即我們通常說的元件結(jié)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(cè)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(luò)來表示熱流途徑

元件每個(gè)外表面可以視作一個(gè)溫度結(jié)點(diǎn)，或者可以將每個(gè)外表面細(xì)分為多個(gè)溫度結(jié)點(diǎn)

在仿真實(shí)際中，通常根據(jù)JEDEC15標(biāo)準(zhǔn)，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(jiǎn)寫為2R。在雙熱阻模型中，假定元件工作時(shí)產(chǎn)生的熱僅會(huì)從元件上表面和元件底面或者引腳傳出，不會(huì)從元件側(cè)面?zhèn)鞒?。因此，可以使用元件結(jié)點(diǎn)到殼結(jié)點(diǎn)的熱阻和元件結(jié)點(diǎn)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(shè)一塊PCB板上僅有一個(gè)元件，則當(dāng)使用雙熱阻模型來對(duì)此元件進(jìn)行建模時(shí)，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(jié)點(diǎn)到殼結(jié)點(diǎn)的熱阻和元件結(jié)點(diǎn)到PCB板的熱阻兩者之間為并聯(lián)關(guān)系。

雙熱阻模型優(yōu)點(diǎn)：

模型簡(jiǎn)單

網(wǎng)格少

模型參數(shù)比較少，僅兩個(gè)，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(duì)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(jié)溫

雙熱阻模型缺點(diǎn)：

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

通過上面的分析，可以得出以下結(jié)論，雙熱阻模型仿真精度比方塊模型高，但是與芯片真實(shí)散熱情況還有距離。在系統(tǒng)級(jí)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(jié)溫，其結(jié)溫誤差最大可達(dá)20%。

Delphi模型

Delphi模型，有時(shí)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(diǎn)，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(shí)更將芯片頂面和底面分為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和外部節(jié)點(diǎn)，增加了元件結(jié)點(diǎn)到它們的熱阻值。

下圖為另一QFP模型的結(jié)點(diǎn)示意圖。

Delphi模型優(yōu)點(diǎn)：

模型簡(jiǎn)單

網(wǎng)格少

對(duì)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(zhǔn)確的結(jié)溫

Delphi模型缺點(diǎn)

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(zhǔn)確的元件結(jié)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(yīng)盡量向廠家索取Delphi模型或者熱阻值以進(jìn)行仿真。


審核編輯 黃宇