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一文掌握集成电路封装热仿真要点

深圳(耀创)电子科技有限公司 2024-05-18 08:12 次阅读

本文要点

要想准确预测集成电路封装的结温和热阻,进而优化散热性能,仿真的作用举足轻重。

准确的材料属性、全面的边界条件设置、真实的气流建模、时域分析以及实证数据验证是成功进行集成电路封装热仿真的关键。

要实现高效传热,必须了解并管理集成电路封装的热阻 ΘJA、ΘJC 和 ΘJB。

要想确保集成电路的可靠性,有必要了解封装的热特性。要将器件结温保持在允许的最大限值以下,集成电路必须能够通过封装有效散热。集成电路封装热仿真有助于预测结温和封装热阻,从而帮助优化热性能以满足特定要求。

集成电路封装热仿真要点

准确的材料属性

确保仿真中使用的材料热特性准确无误,并随温度变化而变化。

全面的边界条件设置

设置的边界条件要尽量接近真实世界场景,以获得更准确的仿真结果。

纳入实际气流模式

在风冷系统中,要对实际气流模式进行建模,而不是假设理想条件。

动态系统的时域分析

进行时域热分析,了解随时间变化的热响应,尤其是在动态系统中。

实证数据验证

尽可能利用物理原型的实证数据来验证仿真结果。

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集成电路封装晶体管热仿真

集成电路封装热仿真流程的步骤(示例)

1

创建三维模型

包括裸片、基板、键合线、封装材料和封装主体,以及任何外部引脚、金属片或其他必要的散热器。

2

确定仿真的材料参数和边界条件

热仿真中的关键材料参数包括比热和热传导率。这些属性与温度有关,需要仔细定义以确保准确性。

边界条件至关重要,因为它们决定了模型边缘的温度和热量传递。这些边界可以是热沉边界,用于散热,也可以是热绝热边界。在模型周围都是空气的情况下,空气的存在和流动成为严重影响整个模型温度分布的重要因素。

3

确定并分析随时间变化的温度分布

除了确定最终温度或静止温度外,分析温度分布随时间变化的情况也能为热仿真提供更多启示。例如,在对封装器件进行基于时间的仿真时,可以观察 100 毫秒内的温度分布。这种基于时间的仿真提供了两个视角:

热量主要来自热源,在最初的 100 毫秒内,根据封装的热阻,发热可能是一种局部现象,也可能蔓延到电路板的其他部分。

通过分析可了解热量传播方向的趋势,以及不同器件和材料在此过程中的作用。例如,键合线可能会造成很大的影响,而作为绝缘体的模塑可能不会显著改变初始时间内的温度分布。

这种基于时间的详细仿真对于了解器件内的热动力学至关重要。

仿真时应重点关注的器件

1

裸片

大多数集成电路封装中的热源是裸片,裸片的材料属性和发热特性是仿真的核心

2

键合线

键合线经常被忽视,但它对封装内的热分布有重大影响

3

封装模塑

封装模塑起到绝缘体的作用,材料的热特性和厚度对散热有重要影响

4

引线和焊点

引线和焊点是热量传递到 PCB 的次要途径,会影响整体热性能

热阻

半导体中的热量管理几乎与热阻(通常以“θ”表示)直接相关,热阻是描述材料传热特性的关键指标。集成电路 (IC) 封装的热阻用于量化将 IC 产生的热量传递到电路板或周围环境的能力。给定两个不同点的温度后,只需根据热阻值就能精确确定这两个点之间的热流量。

集成电路封装热阻变量分析——

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Allegro X Advanced Package Designer(Allegro X APD)为集成电路封装提供了先进的设计和分析工具,可用于实现高效的引线键合设计技术、约束感知基板互连设计以及详细的互连提取、建模和信号完整性/供电分析,进一步增强了 Cadence 热仿真解决方案的功能,助力设计人员有效优化设计的热性能。

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