如何建立準(zhǔn)確的IC封裝模型

00前言

如何建立準(zhǔn)確的IC封裝模型是電子部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)熱仿真的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)。建立準(zhǔn)確有效的IC封裝模型，對(duì)電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)具有重要意義。對(duì)于包含大量IC封裝的板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)仿真來說，提高IC封裝的建模速度更為重要，需要方便快捷的模型庫(kù)，提升任務(wù)的時(shí)效性、節(jié)約計(jì)算資源。接下來的兩篇文章將簡(jiǎn)單探討工程中常用的IC封裝模型種類，并介紹在Simcenter Flotherm中的IC建模方法。

01IC封裝建模分類

IC封裝建模主要分成詳細(xì)建模（Detailed Thermal Model， DTM）和緊湊式建模（Compact Thermal Model， CTM）兩大類。

1.1

詳細(xì)建模 DTMDTM即利用仿真工具，盡可能具體地模仿和復(fù)制IC封裝的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)和材料，通常與IC封裝的CAD模型相結(jié)合。故而從外觀上看，DTM總是與實(shí)際IC封裝相似。但詳細(xì)模型也會(huì)根據(jù)所研究問題的要求對(duì)封裝內(nèi)的組件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，如用總體尺寸相符的立方體代替BGA的焊球陣列，用給定銅組分含量的基板代替實(shí)際的基板走線等等。將測(cè)量工具和仿真工具相結(jié)合，還可以對(duì)DTM進(jìn)行校準(zhǔn)，使DTM結(jié)構(gòu)函數(shù)與實(shí)際封裝結(jié)構(gòu)函數(shù)的誤差降低到3%以內(nèi)。本文第二節(jié)將進(jìn)一步討論Simcenter Flotherm的模型校準(zhǔn)功能。

DTM的精度較高，且與邊界條件無(wú)關(guān)，經(jīng)常用于芯片或封裝的設(shè)計(jì)制造，比如典型的封裝參數(shù)表征、封裝設(shè)計(jì)優(yōu)化等等。但是，由于IC封裝內(nèi)部組件尺寸差異很大，DTM會(huì)產(chǎn)生過大的網(wǎng)格量，降低仿真效率，故而對(duì)于板級(jí)仿真，建議只對(duì)重要的封裝進(jìn)行詳細(xì)建模，而系統(tǒng)級(jí)或以上的仿真由于包含大量的封裝，通常不使用DTM，而使用CTM描述。

1.2

緊湊式建模 CTMCTM是一種行為模型，不對(duì)IC封裝的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)或材料進(jìn)行建模，而是模擬IC封裝對(duì)環(huán)境的熱力學(xué)響應(yīng)，旨在精確預(yù)測(cè)幾個(gè)關(guān)鍵位置（如結(jié)點(diǎn)、外殼和引線）的溫度，通常以熱阻-熱容網(wǎng)絡(luò)的形式構(gòu)建。

最常用的兩種CTM是雙熱阻（2R）模型和DELPHI模型。2R模型最為簡(jiǎn)單，應(yīng)用也最為廣泛，它的結(jié)構(gòu)如下圖所示，包含了junction，case，board三個(gè)節(jié)點(diǎn)，以及從θJC（junction to case）和θJB（junction to board）兩個(gè)熱阻。JEDEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其測(cè)量方式進(jìn)行了定義，可參考［1］。

2R模型的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，且熱阻值可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，因此廣泛應(yīng)用于多封裝的板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)建模；但其構(gòu)建方式?jīng)Q定了在特定工況下的2R模型的誤差是無(wú)法提前計(jì)算出來的。有關(guān)2R模型的誤差和使用，需要注意下述問題：

1. 2R模型是簡(jiǎn)單的一維模型，當(dāng)封裝的熱量絕大部分都進(jìn)入基板或者散熱器時(shí)，2R模型的誤差比較??；但當(dāng)封裝內(nèi)部的熱擴(kuò)散較多時(shí)，2R模型的準(zhǔn)確性會(huì)大幅度降低，它與經(jīng)過校準(zhǔn)的DTM之間的誤差值一般在±30%以內(nèi)。類似地，2R模型所處實(shí)際工況與JEDEC定義的測(cè)量環(huán)境越接近，模型準(zhǔn)確性越高。2. 2R模型用作對(duì)比分析時(shí)（比如說使用同一2R模型，預(yù)測(cè)兩種不同冷卻方案的溫度差），準(zhǔn)確性一般優(yōu)于絕對(duì)溫度的預(yù)測(cè)。3. 2R模型預(yù)測(cè)外殼溫度的準(zhǔn)確性通常不如結(jié)溫，尤其是對(duì)于外殼導(dǎo)熱性較差的封裝，比如OMP封裝，單點(diǎn)的Tcase很難準(zhǔn)確刻畫外殼的溫度梯度。4. 陣列封裝的2R模型會(huì)引入一定的基板熱阻，這是由θJB的測(cè)量方式?jīng)Q定的，具體有多大的影響需要具體分析。引腳封裝則不存在這個(gè)問題。

綜合2R模型的優(yōu)缺點(diǎn)考慮，建議在設(shè)計(jì)初期使用2R模型來粗略地預(yù)測(cè)結(jié)溫，在設(shè)計(jì)后期，2R模型更適合進(jìn)行參數(shù)對(duì)比分析，而非具體的溫度/熱流預(yù)測(cè)。

DELPHI模型相對(duì)2R模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，邊界條件無(wú)關(guān)性和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也更高，一般情況下DELPHI模型與DTM對(duì)結(jié)溫的預(yù)測(cè)誤差不超過5%。這使得DELPHI模型廣泛應(yīng)用于從芯片級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的熱仿真建模，尤其是對(duì)于需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溫度/熱流的板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真任務(wù)，DELPHI模型是首選的CTM。

典型的DELPHI模型結(jié)構(gòu)如下圖所示，由有限個(gè)表面/內(nèi)部節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間的熱阻構(gòu)成。JEDEC同樣對(duì)DELPHI模型的構(gòu)建和使用發(fā)布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，詳見［2］。

DELPHI模型的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1.DELPHI模型一般將封裝表面分成多個(gè)表面節(jié)點(diǎn)，從而能較為準(zhǔn)確地描述封裝的溫度梯度。2.DELPHI模型自身帶有定量的模型誤差值。這是由于DELPHI模型的構(gòu)建過程定義了量化的目標(biāo)函數(shù)，并在數(shù)十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行預(yù)測(cè)、對(duì)比、誤差分析和優(yōu)化。3.DELPHI模型的邊界條件無(wú)關(guān)性相對(duì)于2R模型更高。

近年來，越來越多的供應(yīng)商開始提供封裝產(chǎn)品的DELPHI模型，方便用戶進(jìn)行熱仿真分析，DELPHI模型的普及程度日益提升。一些電子熱仿真軟件工具如Simcenter Flotherm也提供大量的模板，供用戶方便快捷地建立DELPHI模型以及其他的CTM或DTM。接下來，本文將介紹在Simcenter Flotherm中構(gòu)建各種熱模型的方法。

02Simcenter Flotherm中的IC封裝建模

Flotherm 能夠創(chuàng)建不同精度的CTM和DTM，并且可以結(jié)合西門子Simcenter T3STER瞬態(tài)熱阻量測(cè)系統(tǒng)，對(duì)DTM進(jìn)行進(jìn)一步的模型校準(zhǔn)。

Flotherm搭建熱阻模型的主要工具是Flotherm Project Manager中的SmartParts和在線工具Flotherm PACK， 模型校準(zhǔn)需要用到Flotherm Command Center模塊中的Model Calibration功能。

2.1

Cuboids

Cuboid立方體是最簡(jiǎn)單的IC封裝模型，在Flotherm中可以定義材料性質(zhì)、表面性質(zhì)、熱源和熱邊界條件，單個(gè)cuboid一般僅用于概念設(shè)計(jì)階段或系統(tǒng)級(jí)仿真中的元件。

DTM一般根據(jù)封裝的實(shí)際結(jié)構(gòu)，由立方體、棱柱、圓柱、熱源、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等多種SmartParts構(gòu)成裝配

2.2

PCB Components

PCB Components 是PCB裝配下的子元件，可以建立PCB板上獨(dú)立或陣列的IC封裝模型，封裝存在三種形式：

1）均勻分布于板上的熱源；2）元件大小的平面熱源；3）三維固體Cuboid，可以定義材料性質(zhì)（封裝處理為單一材料）以及Junction-Board、Junction-Case和Junction-sides三個(gè)熱阻，構(gòu)建CTM。

2.3

Compact Components

Compact component能夠創(chuàng)建兩種CTM模型：2R Model和General Model。2R Model顯示為兩層Cuboids，用戶需自定義θJC和θJB。General Model顯示為三層Cuboids，允許用戶自定義最多20個(gè)Junction節(jié)點(diǎn)和2個(gè)Interal節(jié)點(diǎn)，可以構(gòu)建更詳細(xì)的CTM，如Area Array Packages， Peripheral Packages， Stacked Die Packages等。

2.4

Network Assembly

使用Network Assembly 構(gòu)建的2R模型

Network assembly是由分級(jí)的cuboids和節(jié)點(diǎn)組成的熱阻-熱容網(wǎng)絡(luò)。用戶可以自由地定義節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間的熱阻和熱容，用三維Network Cuboid表征封裝的實(shí)際體積，用二維Network Cuboid（Collapsed Cuboid）定義封裝與環(huán)境接觸的表面節(jié)點(diǎn)。

2.5

EDA ComponentsEDA Components在Project Manager中的具體形式取決于在EDA bridge中的源元件：

簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方體/圓柱元件轉(zhuǎn)換為Cuboid/Cylinder + 監(jiān)測(cè)點(diǎn) + Volume Region的裝配

2R/DELPHI元件轉(zhuǎn)換為Compact Components / Network Assembly + Volume Region的裝配

詳細(xì)建模的元件轉(zhuǎn)化為DTM，具體構(gòu)成由IC封裝實(shí)際結(jié)構(gòu)決定，一般是Cuboids + 熱源 + 監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的裝配。

除了手動(dòng)建模的方法之外，F(xiàn)lotherm還提供更為方便快捷的半自動(dòng)化建模數(shù)據(jù)庫(kù)Flotherm PACK和Package Creator?？紤]到實(shí)際IC封裝生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生的一些不確定因素以及熱瞬態(tài)分析對(duì)模型的高精度要求，F(xiàn)lotherm還提供了熱仿真與熱測(cè)試相結(jié)合的模型校準(zhǔn)技術(shù)。這些內(nèi)容將在下一篇文章中進(jìn)行介紹。

責(zé)任編輯：haq