热仿真加速新产品上市

热仿真加速新产品上市

Integrated Device Technology(IDT)每年大约有50个使用新封装格式的产品上市，这50个新产品的散热性能，之前一直依靠实际测试来保证。而通常情况下，第一版设计中的热设计不达标率高达10%～20%，这些热设计不达标的产品，都需要进行一次甚至多次的改进设计以保证其散热性能达标。这样通常会造成产品上市延期大约6周左右的时间，如果新产品的设计包含重大改变，例如改用完全不同的封装格式，则会导致设计时间的进一步增加并使加工成本上升。

最近，IDT在对每一个采用新的封装格式的产品进行实际测试之前，使用Mentor Graphics公司Mechanical Analysis部门的FloTHERM和FloTHERM.PACK对它们进行热仿真分析，这样可以大大减少热测试的重复次数并缩短开发周期。FloTHERM.PACK在线封装模型生成工具能在约30分钟内生成一个全新封装的模型，把模型导入到FloTHERM热仿真分析软件中，即可在很短的时间内了解到封装的散热性能。IDT的工程师一般会评估多个不同封装格式的散热性能，并从中选取在散热性能、板上空间利用、成本和其他指标上都最优的配置。IDT公司的高级封装工程师Jitesh Shah说：“自从我们对每个新封装采用热仿真分析后，我们从未发生过因为散热性能方面的原因引起后期更改设计或导致生产延期的情况。”

IDT主要研发应用于数字媒体产品中的混合信号半导体解决方案，公司全球约有2400名员工，并有1300多种产品应用于15000种解决方案。IDT的技术主要用于协助处理器执行基本的核心任务和功能(例如卸载、搜索和查表)，以此来提高网络和特定处理器的效率。使用IDT的时钟、搜索引擎器件和预处理交换器件可解决服务质量(QoS)、优先权和来源目的功能等长期以来处理器所面临的瓶颈问题。IDT的技术有助于提升处理器的使用效率，让使用者能更快速的连接到所需要的数字媒体内容，享受更为高效的数字媒体体验。

传统的“制造—测试模式”

过去，IDT的工程师通过在JEDEC标准环境下对产品进行热测试，评估采用新封装格式产品的散热性能。他们通常采用一种上面装有正向偏压二极管的特殊热测试晶片来测量封装器件的结温。工程们需要先将封装器件安装在一个JEDEC标准测试板上，然后在自然对流和强迫对流环境下进行产品的热测试。这种情况下收集每一组测试数据的周期大概为4周到6周(具体工作包括：设计用于热测试的封装器件和测试电路板、制造用于热测试的封装器件和电路板组件以及测试)。这种方法的缺陷主要在于，只能在设计的后期，样品制造出来后进行产品的热性能评估。而到了设计的后期，整个产品开发周期所剩的时间已经不多，为了不延误产品的上市，最多可以进行两个方案的测试评估。通常情况下80%～90%的产品方案能满足散热性能要求，从而如期上市。

但是，还有10%～20%的产品，其原始设计不能满足散热要求。在这种情况下，结构工程师就不得不重新开始设计能够满足散热性能要求的新方案。因此，产品上市就会被延期6周左右，并且由于涉及到设计修改与物理测试样品制造，成本也因此上升。

传统的“制造-测试模式”由于评估每个设计所花时间较长(约4周至6周)，因此没有足够的时间评估替代方案，也就必然失去了遴选最优方案的机会。

热仿真可快速提供分析结果

20多年来，IDT一直在采用新的设计流程，从根本上减少新产品散热性能评估所需的时间。IDT的工程师们使用Mentor Graphics公司的FloTHERM.PACK在线封装模型生成工具为设计方案建模，输入如封装类型、尺寸、导线或球距、基板截面、芯片尺寸等设计参数来描述IC封装，即可在线生成产品的详细热模型、双热阻模型和Delphi热阻网络模型，然后使用FloTHERM热仿真分析软件对模型进行热模拟分析，即可快速获取器件热特性的数据。

FloTHERM.PACK支持三种封装模型：详细热模型、双热阻模型和Delphi热阻网络模型。详细热模型完整的描述了封装特征，与双热阻模型和Delphi模型相比，需要的计算资源更多，得出的热性能结果也最精准；双热阻模型是按照JEDEC标准对结-壳(Junction-to-Case)热阻以及结-板(Junction-to-Board)热阻的计算规定来生成的，他们需要的计算资源很少，预测的结果在最差的情况下，准确度保证在30%以内；DELPHI热阻网络模型实现了Project DELPHI提出的建模方法，它用热阻网络而不是两个热阻来描述封装的散热特性，比双热阻模型有很大改进，对于任何电子产品合理的系统级分析，DELPHI热阻网络模型预测的结温精准度在10%以内，而对计算资源的要求却非常低，仿真时间也很短。

在线生成封装的某一种热分析模型后，IDT工程师将会把它导入到从FloTHERM.Pack网站上下载的JEDEC标准热分析环境或者自己用FloTHERM热仿真软件定义的热分析环境中。用FloTHERM进行仿真分析计算即可快速得到分析结果。仿真分析能提供整个设计方案完整的散热分析数据报告，这些数据不仅包括环境温度与器件结温，也包含整个仿真模型内每个位置的温度以及风速等参数值。

Shah说：“仿真结果能帮助我们确定设计方案中的高热阻区域，通过修改这些地方的设计即可优化其散热性能。我们仅需一天就能在设计早期模拟一个备用方案，所以我们有机会评估大量不同的设计方案，从而选取最优方案。很多情况下，热仿真帮助我们提高了对产品的性能优化的洞察力，例如，我们能很快知道，对某个应用，是否需要通过添加散热器使产品散热性能达标。”

热仿真帮助优化设计

Shah向我们介绍了最近上市的一个产品，他通过仿真评估了很多备用方案，并在样品制造之前，从热性能的角度选取了最优方案。这个产品是以微导线架封装起来的多芯片模块，包含两个晶粒，一个处理器和一个时钟。这个应用的对散热设计的要求非常具有挑战性，因为两个芯片的温度差必须控制在0.1oC或更低。这是因为温差会影响到两个芯片的协同工作，这两个芯片必须在接近一模一样的温度下工作。

Shah考虑了两个主要的设计备用方案。将两个晶粒并排放置在芯片基板上的优势是两晶粒间热阻小，组装成本低，缺点是占用更多电路板空间。另一种方案将两个晶粒重叠安装，优点是节省空间，缺点是高热阻和高成本。Shah针对不同的方案生成了一系列的热仿真分析模型，用芯片-芯片安装和芯片-基板安装热界面材料两种结构方式来对比这两种设计方案。

如果晶粒温度必须控制在某个具体数字以内，那么主要的挑战是将晶粒间的温度控制到非常低的水平。对每一个设计备选方案，在FloTHERM.PACK在线模式中输入封装尺寸和材料属性，然后，下载生成的模型，导入到FloTHERM中，并选择在-55oC到85oC之间的六个环境温度条件进行热仿真分析，以确保考虑到了所有应用环境。

节省电路板空间

“我分析，并列放置时热性能最好，因为此时两晶粒通过芯片基板在热性能方面是互通的，而且此方案中的热界面材料的导热性比堆叠方案中的明显好很多，”Shah说：“但是运行仿真计算后发现，堆叠方案的热性能却更好！认真查看仿真结果，我决定将导热性更好的界面材料用到堆叠方案中，这样也许能获取到并列排放方案中期望的结果。这个产品将会应用到电路板空间非常珍贵的便携式消费品上，所以使用堆叠方案能够为设备厂商提供巨大的便利。”

Shah总结到：“对于热仿真如何能够改进产品研发流程，这个例子只是很多仿真应用中的一个代表。热仿真帮助避免在设计后期修改设计，避免产品上市延期，帮助我们增加了收入。热仿真也减少了产品研发成本，减少了样品的数量。同时，热仿真帮助从热性能角度评估多个备选方案，对我们如期推出出色的产品贡献巨大。”

图1：塑胶球状网阵排列封装，封装基板有1盎司铜的平面，无散热块。设备功率=3.5W，最高允许芯片温度=125 oC，最高环境温度=70 oC，热仿真结果显示，最高温度接近最高允许温度。

图2：与图1案例相同，但是铜平面改为2盎司，添加了散热块。温度现在远低于最高允许温度，但2盎司铜平面以及散热块增加了成本。

图3：本设计使用2盎司的铜平面，不使用散热块。成本比图2方案略高，但是温度降到了可接受的范围。这是最终设计方案。