一文掌握集成電路封裝熱仿真要點
發布時間：2024-05-18 責任編輯：lina
【導讀】要(yao)想(xiang)確(que)保(bao)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，有(you)必(bi)要(yao)了(le)解(jie)封(feng)裝(zhuang)的(de)熱(re)特(te)性(xing)。要(yao)將(jiang)器(qi)件(jian)結(jie)溫(wen)保(bao)持(chi)在(zai)允(yun)許(xu)的(de)最(zui)大(da)限(xian)值(zhi)以(yi)下(xia)，集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)封(feng)裝(zhuang)有(you)效(xiao)散(san)熱(re)。集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)封(feng)裝(zhuang)熱(re)仿(fang)真(zhen)有(you)助(zhu)於(yu)預(yu)測(ce)結(jie)溫(wen)和(he)封(feng)裝(zhuang)熱(re)阻(zu)，從(cong)而(er)幫(bang)助(zhu)優(you)化(hua)熱(re)性(xing)能(neng)以(yi)滿(man)足(zu)特(te)定(ding)要(yao)求(qiu)。
本文要點
要想準確預測集成電路封裝的結溫和熱阻，進而優化散熱性能，仿真的作用舉足輕重。
準確的材料屬性、全麵的邊界條件設置、真實的氣流建模、時域分析以及實證數據驗證是成功進行集成電路封裝熱仿真的關鍵。
要實現高效傳熱，必須了解並管理集成電路封裝的熱阻 ΘJA、ΘJC 和 ΘJB。
要(yao)想(xiang)確(que)保(bao)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，有(you)必(bi)要(yao)了(le)解(jie)封(feng)裝(zhuang)的(de)熱(re)特(te)性(xing)。要(yao)將(jiang)器(qi)件(jian)結(jie)溫(wen)保(bao)持(chi)在(zai)允(yun)許(xu)的(de)最(zui)大(da)限(xian)值(zhi)以(yi)下(xia)，集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)封(feng)裝(zhuang)有(you)效(xiao)散(san)熱(re)。集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)封(feng)裝(zhuang)熱(re)仿(fang)真(zhen)有(you)助(zhu)於(yu)預(yu)測(ce)結(jie)溫(wen)和(he)封(feng)裝(zhuang)熱(re)阻(zu)，從(cong)而(er)幫(bang)助(zhu)優(you)化(hua)熱(re)性(xing)能(neng)以(yi)滿(man)足(zu)特(te)定(ding)要(yao)求(qiu)。
集成電路封裝熱仿真要點
準確的材料屬性
確保仿真中使用的材料熱特性準確無誤，並隨溫度變化而變化。
全麵的邊界條件設置
設置的邊界條件要盡量接近真實世界場景，以獲得更準確的仿真結果。
納入實際氣流模式
在風冷係統中，要對實際氣流模式進行建模，而不是假設理想條件。
動態係統的時域分析
進行時域熱分析，了解隨時間變化的熱響應，尤其是在動態係統中。
實證數據驗證
盡可能利用物理原型的實證數據來驗證仿真結果。
集成電路封裝晶體管熱仿真
集成電路封裝熱仿真流程的步驟（示例）
創建三維模型
包括裸片、基板、鍵合線、封裝材料和封裝主體，以及任何外部引腳、金屬片或其他必要的散熱器。
確定仿真的材料參數和邊界條件
熱仿真中的關鍵材料參數包括比熱和熱傳導率。這些屬性與溫度有關，需要仔細定義以確保準確性。
邊bian界jie條tiao件jian至zhi關guan重zhong要yao，因yin為wei它ta們men決jue定ding了le模mo型xing邊bian緣yuan的de溫wen度du和he熱re量liang傳chuan遞di。這zhe些xie邊bian界jie可ke以yi是shi熱re沉chen邊bian界jie，用yong於yu散san熱re，也ye可ke以yi是shi熱re絕jue熱re邊bian界jie。在zai模mo型xing周zhou圍wei都dou是shi空kong氣qi的de情qing況kuang下xia，空kong氣qi的de存cun在zai和he流liu動dong成cheng為wei嚴yan重zhong影ying響xiang整zheng個ge模mo型xing溫wen度du分fen布bu的de重zhong要yao因yin素su。
確定並分析隨時間變化的溫度分布
chulequedingzuizhongwenduhuojingzhiwenduwai，fenxiwendufenbusuishijianbianhuadeqingkuangyenengweirefangzhentigonggengduoqishi。liru，zaiduifengzhuangqijianjinxingjiyushijiandefangzhenshi，keyiguancha 100 毫秒內的溫度分布。這種基於時間的仿真提供了兩個視角：
熱量主要來自熱源，在最初的 100 毫秒內，根據封裝的熱阻，發熱可能是一種局部現象，也可能蔓延到電路板的其他部分。
通tong過guo分fen析xi可ke了le解jie熱re量liang傳chuan播bo方fang向xiang的de趨qu勢shi，以yi及ji不bu同tong器qi件jian和he材cai料liao在zai此ci過guo程cheng中zhong的de作zuo用yong。例li如ru，鍵jian合he線xian可ke能neng會hui造zao成cheng很hen大da的de影ying響xiang，而er作zuo為wei絕jue緣yuan體ti的de模mo塑su可ke能neng不bu會hui顯xian著zhu改gai變bian初chu始shi時shi間jian內nei的de溫wen度du分fen布bu。
這種基於時間的詳細仿真對於了解器件內的熱動力學至關重要。
仿真時應重點關注的器件
1.裸片
大多數集成電路封裝中的熱源是裸片，裸片的材料屬性和發熱特性是仿真的核心
2.鍵合線
鍵合線經常被忽視，但它對封裝內的熱分布有重大影響
3.封裝模塑
封裝模塑起到絕緣體的作用，材料的熱特性和厚度對散熱有重要影響
4.引線和焊點
引線和焊點是熱量傳遞到 PCB 的次要途徑，會影響整體熱性能
熱阻
半導體中的熱量管理幾乎與熱阻（通常以“θ”表示）直接相關，熱阻是描述材料傳熱特性的關鍵指標。集成電路 (IC) 封裝的熱阻用於量化將 IC 產生的熱量傳遞到電路板或周圍環境的能力。給定兩個不同點的溫度後，隻需根據熱阻值就能精確確定這兩個點之間的熱流量。
集成電路封裝熱阻變量分析——
為了滿足各種集成電路封裝熱仿真需求，Cadence Celsius Thermal Solver weijichengdianlufengzhuangrefangzhentigonglequanmiandejiejuefangan。tacaiyongjingguoshengchanyanzhengdedaguimobingxingjiagou，kezaibuyingxiangzhunquedudeqingkuangxiatigongbichuantongjiejuefangangengkuaidexingneng。
文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心
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