元器件温度预测为什么很重要?

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元器件温度预测为什么很重要?
元器件温度预测在很多方面都有重要意义。历史上,元器件温度关系到可靠性,早期研究认为现场故障率与元器件温度相关。最近,基于物理学的可靠性预测将电子组件的故障率与工作周期(上电、关断、上电...)内的温度变化幅度和温度变化率关联起来,而这两个因素均受稳态工作温度的影响。故障常常归结于焊点疲劳。在某些应用中,例如计算,温度会对 CPU 速度产生不利影响;而在另一些情况下,元器件必须在极为相似的温度下运行,以免产生时序问题。高温会导致闩锁等运行问题。无论是要提高可靠性、改善性能,还是要避免运行中出现问题,精确的元器件温度预测都有助于热设计人员达成目标。

最大限度地提高元器件温度预测的确定度
借助可靠、精确的元器件温度预测,设计人员可以了解设计值与最大容许1温度的接近程度。本文讨论如何在整个设计流程中实现高保真度元器件温度预测,并提高最终仿真结果的可信度。

1、 为关键元器件明确建模
为了准确预测关键元器件的温度,作为热仿真的一部分,应当为元器件明确建模,这可以说是不言而喻的。然而,并非所有元器件都需要建模,而且这样做常常是不切实际的。对热不是特别敏感的低功率密度的小元器件,可以视为热良性,无需以离散方式表示。这些元器件产生的热量可以作为背景热源应用于整个电路板,或者作为电路板上的封装热源。在设计后期,当从 EDA 系统导入已填充的电路板时,FloTHERM 和 FloTHERM PCB 提供的筛选选项会自动完成这些操作。

较大的元器件可能会阻碍气流,因而需要直接表示为三维对象。属于这种情况的一类元器件是电源等所使用的电解电容。它们对热敏感,最高容许温度也较低。

大型高功率元器件和高功率密度的元器件需要以离散方式建模,因为其热管理和对邻近元器件的影响对产品的整体热设计十分重要。

2、使用正确的功率估算值
如上所述,是否有必要表示一个元器件,部分程度上直接取决于其功率密度,即元器件功率除以封装面积。

随着设计的展开并且掌握更多信息后,有必要重新审视应当以离散方式为哪些元器件建模。在设计早期,可能只能使用元器件的最大额定功率来代替其可能功耗的估算值。个别元器件以及整个电路板的功率预算会随着设计的进行而改变,因此需要定期重新检查。

元器件的功率估算值可以通过多种方法获得,例如使用 Mentor Graphics Modelsim 创建基于 RTL 的功率估算。

3、 使用正确的封装热模型
“简化 PCB 热设计的 10 项提示”中介绍了元器件热模型。元器件热模型的选择取决于多个因素。

在电路板布线之前或尚不知道电路板中层数的早期设计中,精确预测元器件温度是不可能的,因此不需要元器件的精密热模型。随着设计的深入,当 PCB 模型可以优化时,元器件热模型也应当优化。

选择最合适的元器件热模型是一个迭代过程,因为若元器件的预测温度很高2,则说明不仅需要优化元器件的热模型,还可能需要考虑元器件专用热管理解决方案。

4、 尽早在设计中使用简化热模型
在参考文献 1 中,我们谈到了需要为元器件精确建模,并且应当在选择封装之前的热设计中就使用元器件的三维表示,此外还介绍了双热阻和 DELPHI 简化热模型。下面将更详细地讨论这些模型的预测精度。

双热阻模型
如前所述,双热阻简化热模型 (CTM) 是保真度最低的模型,能够预测壳温和结温。使用双热阻模型的一个好处是,除了简单的导热块以外,它不需要任何其他网格,因此对仿真时间无不利影响。虽然其计算量最小,但在最坏情况下,结温预测的误差可能高达 ±30%,而且会因封装类型和尺寸而有所不同。

该模型所基于的结-壳热阻和结-电路板热阻指标是在标准条件下测量的。JEDEC 标准 JESD15-3 要求结-电路板热阻在具有连续电源和接地平面层的 2s2p 电路板上测量。测量结-壳热阻时,需将封装顶部压在冷板上。因此,应用条件与测试条件越接近,双热阻模型的预测精度就越高。对于结-壳热阻,最接近测试环境的应用环境是当元器件有一个散热器贴附整个封装表面时。因此,双热阻模型可用来初步评估所需散热器的尺寸。

注意,双热阻模型的上表面是一个代表外壳的等温节点,这意味着散热器的基座是等温的。因此,双热阻模型可用来确定降低散热器空气侧热阻所需的鳍片数量、厚度和高度,但不能确定为了充分散热以确保传递到外部鳍片的热量不会受过度限制的基座厚度。

RC 阶梯模型
对于具有单一热流路径的封装,如 LED 和 TO 式封装,有一种 JEDEC 标准方法 [参考文献 2] 可用于测量从结点至封装调整片的热流路径的热阻-热容模型。注意,这种方法并不直接向封装的裸露上表面提供热阻。然而,如果能通过某种方式估算该热阻,那么就可以使用 Mentor Graphics 的瞬态热测试仪 T3Ster 来创建一个考虑这种情况的 RC 阶梯热模型。

T3Ster 是业界领先的解决方案,可用于测量封装 IC 以创建相应的热模型,从而直接用作 FloTHERM 中的网络组件。与仅包含热阻的双热阻模型不同,这些模型还包含热容,因此可用于瞬态仿真。当应用环境接近测试冷板环境时,例如将封装焊接到 MCPCB 或高热导率板上的铜焊盘时,这些模型可提供出色的结果。

DELPHI 模型
DELPHI 模型得名于 Flomerics 在 1990 年代后期协调开发的 DELPHI 项目。这些模型分割了上下表面,并用一个热阻矩阵将这些表面连接到结点和/或彼此连接。利用这些附加的内部热阻,可根据边界条件调整流经这些封装内部路径的热量。在很多应用中,该模型预测的最坏情况结温精度都在 ±10% 范围内。一般来说,DELPHI 模型足以应付大多数详细热设计工作,但以下情况除外:热特性极为关键的封装,叠层或三维 IC,以及需要通过仿真获得额外信息(例如芯片表面的温度分布)的情况。

详细模型
详细模型是以离散方式为封装内部所有热相关特性建模的热模型。注意,这些模型常常包含一定程度的近似,因为个别封装键合线等特性常常是集总考虑的。然而,此类模型的目的是为了精确反映封装内部的温度分布。使用的几何形状和材料属性正确的话,此类模型可提供最高的保真度。

对于需要散热器、风扇组件或导热垫等特定热管理解决方案的元器件,应当详细建模以便正确优化散热解决方案。例如,就散热器而言,众所周知,封装内的温度分布会影响散热器内的温度分布,反之亦然[参考文献 3]。为此,建议针对此类用途使用详细封装热模型。

图%201:芯片封装的详细热模型

图 1:芯片封装的详细热模型

图%202:显示了焊球的%20BGA%20封装下侧的温度分布

图 2:显示了焊球的 BGA 封装下侧的温度分布

详细模型的另一个优点是可以预测焊接互连的温度,它是影响焊点寿命的主要因素。

5、根据需要创建自己的模型

实践中,热模型的选择在很大程度上可能取决于供应商提供了哪些信息。FloTHERM 是业界领先的电子散热软件,T3Ster 则被广大半导体公司和封装厂用来鉴定产品特性。FloTHERM、FloTHERM PCB 和 FloTHERM XT提供的热模型多于任何其他热设计工具,其中包含了很多领先供应商的模型。FloTHERM PACK 的客户群中大约有 30% 是 IC 封装供应商公司的用户。

利用 FloTHERM PACK,负责精确预测元器件温度的系统集成商可以根据通用输入数据创建在设计流程的各个阶段使用的热模型,包括双热阻模型、DELPHI 模型和详细模型。该工具以向导为基础,只需很少的工作量就能获得一个代表性模型,然后在有新信息可用时进行优化。如果供应商没有提供元器件的热模型,可以向供应商提供用于各个封装样式的 FloTHERM PACK 工作表,以说明需要哪些信息才能创建热模型。

图%203:FloTHERM%20PACK

图 3:FloTHERM PACK

6、使用功率映射

随着芯片变得越来越薄,芯片本身作为散热器的效率越来越低,芯片表面上的温度变化也越来越大。因此,将结温作为芯片表面上变化的数值,而不是作为单一数值来考虑的做法越来越普遍。使用简化模型时,结温将作为单一数值考虑,模型(若由供应商提供)应当提供适合与指定的最高容许结温进行比较的数值。一般而言,必须限制的是最高结温。

详细模型可预测整个封装的温度变化,包括芯片。为了精确预测芯片上的温度分布,有必要计入芯片有效表面上的有效功率变化。对于较复杂的芯片(例如片上系统),这通常与芯片执行的功能有关,因此一个芯片可能有多个功率映射与之关联。除此之外,还有一个漏电功率,它与局部温度相关,因而会随有效功率而加剧。

功率映射可以从功率分析工具中导出,并作为 CSV(逗号分隔的变量)文件提供。供应商常常会对这些文件进行粗化处理,以提供包含多达 50 个不同功率区域的功率映射。

图%204:带芯片功率映射的多芯片封装详细模型

图 4:带芯片功率映射的多芯片封装详细模型

对于各功率映射的稳态仿真中发现的具有最高温度的区域,应当利用监控点来监控该区域的中心温度。

7、 通过实验验证详细模型

利用瞬态热测试技术,可以对照实验来校准模型中的有效热阻和热容。

为了应对这种不确定性,可以利用 T3Ster 来测量实际封装的响应,然后调整仿真模型的属性来适应实验响应。这样,对于所有边界条件,以及在瞬态仿真期间的所有时候,都能使封装内结温升幅的预测精度达到仅百分之几的水平。这代表了封装热建模技术的最高水准。

图%205:封装的初始和最终结构函数拟合%20[参考文献%204]。

图 5:封装的初始和最终结构函数拟合 [参考文献 4]。

对于封装设计人员而言,经过验证的详细热模型确保了封装内部的温度分布是正确的,并且决定了其翘曲量和在结构上与 PCB 的相互作用,因此它是后续对设计、材料和处理进行改进的先决条件,同时也是基于有限元的应力预测的基本条件。

从最终用户的角度而言,经过验证的详细热模型是任何定制散热器设计的最佳起点。

8、 设计定制散热器解决方案
至此,我们已选择标准散热器设计来确保元器件能够充分散热,但这可能只是一个次优解决方案。

定制散热器设计优化的目的是最大限度地提高热传递效率,以使系统压降和散热器背后形成的尾流区最小。还可以优化散热器与封装主体之间的接触区域,防止热量在散热器基座中扩散,然后沿其周边流回封装主体。

注意,封装之外的主要热流路径将是流入散热器,因此定制散热器的设计可以先于电路板布线开始。

9、精确获取热学界面材料热阻
利用 T3Ster DynTIM 可以精确测量热学界面材料 (TIM) 的热导率与温度的关系 [参考文献 5],从而为特定应用(例如元器件与散热器之间)选择最合适的 TIM 材料。根据所选的材料不同,表面得到润湿的程度取决于很多因素,如总热阻(包括 TIM 各个面上的界面热阻)等。值得注意的是,TIM 的热阻可能是结温升高的一个重要因素,因此精确的 TIM 总热阻数据对于准确预测元器件温度十分重要。

10、为机械应力预测提供精确温度
随着 IC 封装面临的挑战愈演愈烈,封装供应商发现需要针对热应力进行设计,以便更好地适应元器件在应用环境中会经受到的应力。

从 FloTHERM 第 10 版开始,可以导出组件温度以用于有限元应力工具,从而将热应变当作应力计算的边界条件。温度智能地映射到有限元网格上,系统会修正两种分析学科之间可能存在的几何对象形状差异。考虑范围内的组件可能包括封装、散热器(若已安装)以及焊接了元器件的电路板部分等。

结语
本文概要介绍了元器件温度预测的重要考虑。内容并未穷尽所有情况,有许多细节未予涉及。如果您负责确保元器件温度不超过规定限值,并且希望了解 Mentor Graphics 热设计软件有何帮助,以及哪种产品适合您的应用,请通过 Mentor Graphics 机械分析网页 cn.mentor.com/mechanical 联系我们。

参考文献

1. 简化 PCB 热设计的 10 项提示 — 高级“应用方法”指南,Mentor Graphics 白皮书,2014 年 1 月
2. JEDEC JESD51-14 “Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow through a Single Path”,2010 年 11 月。http://www.jedec.org/sites/default/files/docs/JESD51-14_1.pdf
3. Rosten, H.I. 和 Viswanath, R.(1994 年),“Thermal modelling of the Pentium processor package”,第 44 届电子元器件及技术大会论文集,1994 年,第 421 - 428 页
4. Bornoff, Robin 和 Vass-Varnai, Andras(2013 年)“A Detailed IC Package Numerical Model Calibration Methodology”,第 29 届 SEMI-THERM 论文集,圣何塞,2013 年 3 月
5. http://www.mentor.com/products/mechanical/products/dyntim

 

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