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【分享】预测元器件温度的十大技巧——高级操作指南

文章整理来源于：西门子官网

【分享】预测元器件温度的十大技巧——高级操作指南

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。一直以来，元器件温度关系到可靠性，早期研究认为现场故障率与稳态元器件温度相关。近来，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（开机、关机又开机等）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。

电子产品出现故障，往往是因为电路板上连接处的焊点年久松动。在某些应用场景中（如计算），性能是关键，温度过高会导致速度越来越慢。在其他场景中，组件必须在非常相似的温度下运行，以避免出现时序问题。高温会导致闭锁等运行问题。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。

尽可能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*温度的接近程度。本白皮书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。

*可能是结温或壳温，在元器件产品说明中指定。

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，Simcenter提供的筛选选项会自动完成这些操作。

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图 1：胰岛素泵的热力模型，其元器件的建模细节程度不一

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。对电解电容进行明确建模有助于防止超过最高温度^[1]。

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在设计期间逐步更改，因此需要定期重新检查。

例如，西门子 EDA 的 Xpedition AMS 可用于估算元器件的功率，它将电子电路仿真扩展到标准的时域和频域分析之外，如今还可以实现 Xpedition 电路板设计流程中的高级性能仿真和虚拟系统内验证，包括电热仿真。

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图 2：功率与时间曲线示例

3

使用正确的封装热模型

我们的白皮书《简化 PCB 热设计的 10 大技巧》^[2]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。

选择极为合适的元器件热模型是一个迭代过程，因为如果元器件的预测温度很高*，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。热管理解决方案可以涵盖电路板设计问题，例如通过使用热通孔将热量传导到埋在地下的地平面。

*在设计早期，“高温”所指的设计安全裕量相当大。

4

尽早在设计中使用简化热模型

参考文献 2 讨论了在选择封装之前，要对元器件进行精确建模，并在热设计中使用元器件的三维图。引入了双热阻简化模型和 DELPHI 简化热模型。下面将更详细地讨论这些模型和其他热模型的预测精度。

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�。谧罨登榭鱿拢嵛略げ獾奈蟛羁赡芨叽铩�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，极为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将维持近等温状态。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^[3]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 Simcenter Micred T3STER 硬件创建一个考虑这种情况的 RC 阶梯热模型。

Simcenter Micred 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Simcenter 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 有限公司在二十世纪90 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。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。与双电阻模型一样，它们只包含电阻，所以只能用于稳态模拟。

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和焊球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，此类模型可提供极高的保真度。

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图 3：芯片封装的详细热模型

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。^[4]为此，建议针对此类用途使用详细封装热模型。

详细模型的另一个优点是可以预测焊接互连的温度。热机械剪应力加上温度变化，是影响焊点寿命的主要压力源。

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图 4：显示了个别焊球的 BGA 封装下侧的温度分布

BCI-ROM

就预测元器件温度方面，最近的先进技术是使用降阶模型，即 ROM。ROM 现在可独立于边界条件 (BCI) 创建，而不用针对某个特定的热环境^[5]。这就意味着，BCI-ROM 可由封装供应商独立于热环境创建，并提供给最终用户用于模拟特定的热环境。它们的格式有原始矩阵、SPICE、VHDL-AMS 和 FMU。Simcenter 内部有一系列 BCI-ROM的编创选项。

BCI-ROM 还有其他理想的特征：

●它们是高度精确的，创建过程中要明确规定精确度（通常大于 98%）

●支持多个热源

●支持所有瞬态时间尺度

●隐藏敏感 IP，因为从中推导出这些 IP 的母体详细模型的内部几何形状无法从 ROM 中进行逆向工程

●报告供应商定义的适当结温，而供应商不必透露该温度在模型中的位置。

●比详细模型更快地解决数量级问题^[6]

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图 5：PartQuest Explore 中手机关键元器件的 BCI-ROM

这个方法的主要优势是这些模型可以包含在电路模拟器中，比如 Xpedition AMS 和 PartQuest Explore，让电路模拟器可以感知温度，这是设计早期准确估算功率的关键点。

在三维 CFD 模拟器中使用 BCI-ROM 有可能彻底改变封装热模型供应链，而且 BCI-ROM 也可以为整个电路板创建。

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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。时至今日，我们发现供应商可能只以数据表的形式提供信息，例如 PDF 格式，而这些信息可能不包含基本热设计所需的信息。例如，数据表可能只包含一个结点到环境的热阻，这个数据无法用于设计，只能用于性能比较。JEDEC 发布了JEP181^[7]，这是一种用于热模拟数据交换的标准文件格式。它基于 XML 标准，使用西门子开发的 ECXML 技术，即“电子散热可扩展标记语言”的简称。

Simcenter Flotherm 是业界领先的电子散热软件，Simcenter Micred T3STER 硬件则被广大半导体公司和封装厂用来鉴定产品特性。Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm PCB 和 Simcenter 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。Simcenter Flotherm PACK 的客户群中大约有 30% 是 IC 封装供应商公司的用户。大多数用户是在终端用户公司，创建自己富有代表性的封装热模型。

凭借 Simcenter Flotherm PACK（SaaS 解决方案）和Simcenter Package Creator，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。这些工具以向导为基�。谥弥悄苣现担崴晒菇ㄒ桓龃硇阅Ｐ汀Ｈ缓笤擞貌欢鲜淙氲男滦畔⒔杏呕�。

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 Simcenter Flotherm PACK工作表，以说明需要哪些信息才能创建热模型。

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图 6：Simcenter Flotherm Package Creator

6

使用功率映射

随着芯片变得越来越�。酒旧碜魑⑷绕鞯男试嚼丛降停酒砻嫔系奈露缺浠苍嚼丛酱蟆Ｒ虼耍嚼丛蕉嗟娜巳衔嵛虏皇堑ヒ坏氖郑飧鑫露仍谛酒砻婊岱⑸浠词乖诘ヒ坏男酒庾爸幸彩侨绱恕；� 2.5D 芯片和 3D 封装的先进封装设计要复杂得多，因此更适合作为 BCI-ROM 的代表，以捕捉其热复杂性。

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。供应商还应明确说明如何从模拟中获得这个数字。因此，如果是结温，还应指出在芯片表面的何处位置进行测量。

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 mPower 等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（甚至更多）不同功率区域的功率映射。

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。

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图 7：带芯片功率映射的多芯片封装详细模型

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 Simcenter Micred 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的巅峰，模型校准的过程在 Simcenter 中是完全自动化的，只需要用户指定要改变的参数和允许的值范围。

如果是高功率封装，如能源转换应用中使用的 IGBT 和MOSFET，在 Simcenter Micred 功率测试仪中完成热表征最为便捷，它将热表征与主动功率循环相结合，用于这类器件的可靠性预测和故障模式检测。

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图 8：初始（左）与最终（右）的结构功能拟合成一个封装^[8]

对于封装设计人员而言，经过验证的详细热模型（也可能以 BCI-ROM 形式交付）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。

对于封装设计人员而言，经过验证的详细热模型（也可能以 BCI-ROM 形式交付）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或 BCI-ROM 是任何定制散热器设计的理想起点。

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尽可能地提高热传递效率，以尽量缩小系统压降和散热器背后形成的尾流区。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。

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图 9：在 Simcenter FLOEFD 中仿真平面外位移放大的 PCB 中热力学效应引起的 Von Mises 应力

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。这一点很重要，因为电路板表面的空间可能需要预留给散热器的连接，所以会受到散热器底座的尺寸影响。如果在开始布线之前没有设计或选择一个合适的散热器，可能造成 PCB 设计至少要重新调整一次。

9

精确获取热界面材料热阻

利用 Simcenter Micred TIM Tester^[9]?可以精确测量热界面材料 (TIM) 的热导率与温度的关系，从而为特定应用（例如元器件与散热器之间）选择理想的 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。

Simcenter 为用于有限元分析的温度和热模型几何形状提供了高效的工作流程，并将热应变作为应力计算的边界条件。在 Simcenter 中，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。

从最终用户的角度而言，经过验证的详细热模型或 BCI-ROM 是任何定制散热器设计的理想起点。

结语

本白皮书概要介绍了元器件温度预测的重要考虑事项。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 Simcenter 热设计软件有何帮助，以及哪种产品适合您的应用，?请与我们取得联系！

参考信息

1. 电解质电容器的热导率、热特性和温度测量研?https://ieeexplore.ieee.org/document/7749074

2. 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。

3. 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（测量单路径热流半导体器件外壳热阻结的瞬态双界面测试方法）”，2010 年 11 月。http://www.jedec.org/sites/default/files/docs/JESD51-14_1.pdf

4. Rosten, H.I.和 Viswanath, R.（1994 年），Thermal modelling of the Pentium processor package（Pentium 处理器封装的热建模），第 44 届电子元器件及技术大会论文集，1994 年，第 421 - 428 页

5. L. Codecase、V. d’Alessandro、A. Magnani、N. Rinaldi 和 P. Zampardi，“Fast novel thermal analysis simulation tool for integrated circuits (FANTASTIC)（集成电路的五种新式分析仿真工具）”。https://ieeexplore.ieee.org/document/6972507

6. Byron Blackmore、Mike Donnelly、Mahmood Alkhenaizi，“Including Electrothermal Effects in Electronics Design with?Connected FANTASTIC BCI-ROMs（运用互连 FANTASTIC BCI-ROM，在电子器件设计中包含电热效应） ”https://ieeexplore.ieee.org/document/9406088

7.https://www.jedec.org/standards-documents /docs/jep181

8. Bornoff, Robin、Vass-Varnai, Andras（2013 年）“A Detailed IC Package Numerical Model Calibration Methodology（详细 IC 封装数值模型校准方法）”，第 29 届 SEMI-THERM 论文集，圣何塞，2013 年 3 月

9.http://www.mentor.com/products/mechanical/products/dyntim

鸣谢：

John Parry 博士、CEng、CITP、MBCS、MIEEE

Robin Bornoff 博士

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