本文要點(diǎn)

要想準(zhǔn)確預(yù)測(cè)集成電路封裝的結(jié)溫和熱阻，進(jìn)而優(yōu)化散熱性能，仿真的作用舉足輕重。

準(zhǔn)確的材料屬性、全面的邊界條件設(shè)置、真實(shí)的氣流建模、時(shí)域分析以及實(shí)證數(shù)據(jù)驗(yàn)證是成功進(jìn)行集成電路封裝熱仿真的關(guān)鍵。

要實(shí)現(xiàn)高效傳熱，必須了解并管理集成電路封裝的熱阻 ΘJA、ΘJC 和 ΘJB。

要想確保集成電路的可靠性，有必要了解封裝的熱特性。要將器件結(jié)溫保持在允許的最大限值以下，集成電路必須能夠通過封裝有效散熱。集成電路封裝熱仿真有助于預(yù)測(cè)結(jié)溫和封裝熱阻，從而幫助優(yōu)化熱性能以滿足特定要求。

集成電路封裝熱仿真要點(diǎn)

準(zhǔn)確的材料屬性

確保仿真中使用的材料熱特性準(zhǔn)確無(wú)誤，并隨溫度變化而變化。

全面的邊界條件設(shè)置

設(shè)置的邊界條件要盡量接近真實(shí)世界場(chǎng)景，以獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

納入實(shí)際氣流模式

在風(fēng)冷系統(tǒng)中，要對(duì)實(shí)際氣流模式進(jìn)行建模，而不是假設(shè)理想條件。

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)域分析

進(jìn)行時(shí)域熱分析，了解隨時(shí)間變化的熱響應(yīng)，尤其是在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中。

實(shí)證數(shù)據(jù)驗(yàn)證

盡可能利用物理原型的實(shí)證數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)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）

1

創(chuàng)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。

2

確定仿真的材料參數(shù)和邊界條件

熱仿真中的關(guān)鍵材料參數(shù)包括比熱和熱傳導(dǎo)率。這些屬性與溫度有關(guān)，需要仔細(xì)定義以確保準(zhǔn)確性。

邊界條件至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了模型邊緣的溫度和熱量傳遞。這些邊界可以是熱沉邊界，用于散熱，也可以是熱絕熱邊界。在模型周圍都是空氣的情況下，空氣的存在和流動(dòng)成為嚴(yán)重影響整個(gè)模型溫度分布的重要因素。

3

確定并分析隨時(shí)間變化的溫度分布

除了確定最終溫度或靜止溫度外，分析溫度分布隨時(shí)間變化的情況也能為熱仿真提供更多啟示。例如，在對(duì)封裝器件進(jìn)行基于時(shí)間的仿真時(shí)，可以觀察 100 毫秒內(nèi)的溫度分布。這種基于時(shí)間的仿真提供了兩個(gè)視角：

熱量主要來(lái)自熱源，在最初的 100 毫秒內(nèi)，根據(jù)封裝的熱阻，發(fā)熱可能是一種局部現(xiàn)象，也可能蔓延到電路板的其他部分。

通過分析可了解熱量傳播方向的趨勢(shì)，以及不同器件和材料在此過程中的作用。例如，鍵合線可能會(huì)造成很大的影響，而作為絕緣體的模塑可能不會(huì)顯著改變初始時(shí)間內(nèi)的溫度分布。

這種基于時(shí)間的詳細(xì)仿真對(duì)于了解器件內(nèi)的熱動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。

仿真時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的器件

1

裸片

大多數(shù)集成電路封裝中的熱源是裸片，裸片的材料屬性和發(fā)熱特性是仿真的核心

2

鍵合線

鍵合線經(jīng)常被忽視，但它對(duì)封裝內(nèi)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(duì)散熱有重要影響

4

引線和焊點(diǎn)

引線和焊點(diǎn)是熱量傳遞到 PCB 的次要途徑，會(huì)影響整體熱性能

熱阻

半導(dǎo)體中的熱量管理幾乎與熱阻（通常以“θ”表示）直接相關(guān)，熱阻是描述材料傳熱特性的關(guān)鍵指標(biāo)。集成電路 (IC) 封裝的熱阻用于量化將 IC 產(chǎn)生的熱量傳遞到電路板或周圍環(huán)境的能力。給定兩個(gè)不同點(diǎn)的溫度后，只需根據(jù)熱阻值就能精確確定這兩個(gè)點(diǎn)之間的熱流量。

集成電路封裝熱阻變量分析——

Allegro X Advanced Package Designer（Allegro X APD）為集成電路封裝提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)和分析工具，可用于實(shí)現(xiàn)高效的引線鍵合設(shè)計(jì)技術(shù)、約束感知基板互連設(shè)計(jì)以及詳細(xì)的互連提取、建模和信號(hào)完整性/供電分析，進(jìn)一步增強(qiáng)了 Cadence 熱仿真解決方案的功能，助力設(shè)計(jì)人員有效優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱性能。