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一文掌握集成電路封裝熱仿真要點

發(fā)布時間:2024-05-18 責任編輯:lina

【導讀】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。


本文要點

  • 要想準確預(yù)測集成電路封裝的結(jié)溫和熱阻,進而優(yōu)化散熱性能,仿真的作用舉足輕重。

  • 準確的材料屬性、全面的邊界條件設(shè)置、真實的氣流建模、時域分析以及實證數(shù)據(jù)驗證是成功進行集成電路封裝熱仿真的關(guān)鍵。

  • 要實現(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


準確的材料屬性

確保仿真中使用的材料熱特性準確無誤,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世界場景,以獲得更準確的仿真結(jié)果。


納入實際氣流模式

在風冷系統(tǒng)中,要對實際氣流模式進行建模,而不是假設(shè)理想條件。


動態(tài)系統(tǒng)的時域分析

進行時域熱分析,了解隨時間變化的熱響應(yīng),尤其是在動態(tài)系統(tǒng)中。


實證數(shù)據(jù)驗證

盡可能利用物理原型的實證數(shù)據(jù)來驗證仿真結(jié)果。


一文掌握集成電路封裝熱仿真要點


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(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。


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)包括比熱和熱傳導率。這些屬性與溫度有關(guān),需要仔細定義以確保準確性。


邊界條件至關(guān)重要,因為它們決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,空氣的存在和流動成為嚴重影響整個模型溫度分布的重要因素。


確定并分析隨時間變化的溫度分布


除了確定最終溫度或靜止溫度外,分析溫度分布隨時間變化的情況也能為熱仿真提供更多啟示。例如,在對封裝器件進行基于時間的仿真時,可以觀察 100 毫秒內(nèi)的溫度分布。這種基于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(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,以及不同器件和材料在此過程中的作用。例如,鍵合線可能會造成很大的影響,而作為絕緣體的模塑可能不會顯著改變初始時間內(nèi)的溫度分布。


這種基于時間的詳細仿真對于了解器件內(nèi)的熱動力學至關(guān)重要。


仿真時應(yīng)重點關(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(guān),熱阻是描述材料傳熱特性的關(guān)鍵指標。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。給定兩個不同點的溫度后,只需根據(jù)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——


一文掌握集成電路封裝熱仿真要點


為了滿足各種集成電路封裝熱仿真需求,Cadence  Celsius Thermal Solver 為集成電路封裝熱仿真提供了全面的解決方案。它采用經(jīng)過生產(chǎn)驗證的大規(guī)模并行架構(gòu),可在不影響準確度的情況下提供比傳統(tǒng)解決方案更快的性能。

文章來源:Cadence楷登PCB及封裝資源中心


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