一文掌握集成电路封装热仿真要点

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。

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——

 

 

 

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。