上篇为您介绍了预测元器件温度的前四个要点提示，分别为 1）为关键元器件明确建模 2）使用正确的功率估算值 3）使用正确的封装热模型 4）尽早在设计中使用简化热模型。回顾请访问预测元器件温度的十大技巧（上篇），接下来将继续为您介绍其余要点，快来一起看看吧。

实践中，热模型的选择在很大程度上可能取决于供应商提供了哪些信息。时至今日，我们发现供应商可能只以数据表的形式提供信息，例如 PDF 格式，而这些信息可能不包含基本热设计所需的信息。例如，数据表可能只包含一个结到环境的热阻，这个数据无法用于设计，只能用于性能比较。JEDEC 发布了 JEP1817，这是一种用于热模拟数据交换的标准文件格式。它基于 XML 标准，使用西门子开发的 ECXML 技术，即“电子散热可扩展标记语言”的简称。

(资料图)

Simcenter Flotherm 是业界领先的电子散热软件，Simcenter Micred T3STER 硬件则被广大半导体公司和封装厂用来鉴定产品特性。Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm PCB 和 Simcenter Flotherm XT 提供的热模型多于任何其他热设计工具，其中包含了很多领先供应商的模型。Simcenter Flotherm PACK 的客户群中大约有 30% 是 IC 封装供应商公司的用户。大多数用户是在终端用户公司，创建自己富有代表性的封装热模型。

凭借Simcenter Flotherm PACK（SaaS 解决方案）和 Simcenter Package Creator，负责精确预测元器件温度的系统集成商可以根据通用输入数据创建在设计流程的各个阶段使用的热模型，包括双热阻模型、DELPHI 模型和详细模型。这些工具以向导为基础，内置智能默认值，轻松构建一个代表性模型，然后运用不断输入的新信息进行优化。

如果供应商没有提供元器件的热模型，可以向供应商提供用于各个封装样式的 Simcenter Flotherm PACK 工作表，以说明需要哪些信息才能创建热模型。

图 6：Simcenter Flotherm Package Creator

随着芯片变得越来越薄，芯片本身作为散热器的效率越来越低，芯片表面上的温度变化也越来越大。因此，越来越多的人认为结温不是单一的数字，这个温度在芯片表面会发生变化，即使在单一的芯片封装中也是如此。基于 2.5D 芯片和 3D 封装的先进封装设计要复杂得多，因此更适合作为 BCI-ROM 的代表，以捕捉其热复杂性。

使用简化模型时，结温将作为单一数值考虑，模型（若由供应商提供）应当提供适合与指定的最高容许结温进行比较的数值。一般而言，必须限制的是最高结温。供应商还应明确说明如何从模拟中获得这个数字。因此，如果是结温，还应指出在芯片表面的何处位置进行测量。

详细模型可预测整个封装的温度变化，包括芯片。为了精确预测芯片上的温度分布，有必要计入芯片有效表面上的有效功率变化。对于较复杂的芯片（例如片上系统），这通常与芯片执行的功能有关，因此一个芯片可能有多个功率映射与之关联。除此之外，还有一个漏电功率，它与局部温度相关，因而会随有效功率而加剧。

功率映射可以从 mPower 等功率分析工具中导出，并作为 CSV（逗号分隔的变量）文件提供。供应商常常会对这些文件进行粗化处理，以提供包含多达 50 个（甚至更多）不同功率区域的功率映射。

对于各功率映射的稳态仿真中发现的具有最高温度的区域，应当利用监控点来监控该区域的中心温度。

图 7：带芯片功率映射的多芯片封装详细模型

利用瞬态热测试技术，可以对照实验来校准模型中的有效热阻和热容。

为了应对这种不确定性，可以利用 Simcenter Micred T3STER 来测量实际封装的响应，然后调整仿真模型的属性来适应实验响应。这样，对于所有边界条件，以及在瞬态仿真期间的所有时候，都能使封装内结温升幅的预测精度达到仅百分之几的水平。这代表了封装热建模的巅峰，模型校准的过程在 Simcenter 中是完全自动化的，只需要用户指定要改变的参数和允许的值范围。

如果是高功率封装，如能源转换应用中使用的 IGBT 和 MOSFET，在 Simcenter Micred 功率测试仪中完成热表征最为便捷，它将热表征与主动功率循环相结合，用于这类器件的可靠性预测和故障模式检测。

图 8：初始（上）与最终（下）的结构功能拟合成一个封装⁸的结构函数拟合成重叠曲线

对于封装设计人员而言，经过验证的详细热模型（也可能以 BCI-ROM 形式交付）确保了封装内部的温度分布是正确的，并且决定了其翘曲量和在结构上与 PCB 的相互作用，因此它是后续对设计、材料和处理进行改进的先决条件，同时也是基于有限元的应力预测的基本条件。

从最终用户的角度而言，经过验证的详细热模型或 BCI-ROM 是任何定制散热器设计的理想起点。

至此，我们已选择标准散热器设计来确保元器件能够充分散热，但这可能只是一个次优解决方案。

定制散热器设计优化的目的是尽可能地提高热传递效率，以尽量缩小系统压降和散热器背后形成的尾流区。还可以优化散热器与封装主体之间的接触区域，防止热量在散热器基座中扩散，然后沿其周边流回封装主体。

图 9：在 Simcenter FLOEFD 中仿真平面外位移放大的 PCB 中热力学效应引起的 Von Mises 应力

注意，封装之外的主要热流路径将是流入散热器，因此定制散热器的设计可以先于电路板布线开始。这一点很重要，因为电路板表面的空间可能需要预留给散热器的连接，所以会受到散热器底座的尺寸影响。如果在开始布线之前没有设计或选择一个合适的散热器，可能造成 PCB 设计至少要重新调整一次。

利用 Simcenter Micred TIM Tester⁹可以精确测量热界面材料 (TIM) 的热导率与温度的关系，从而为特定应用（例如元器件与散热器之间）选择理想的 TIM 材料。根据所选的材料不同，表面得到润湿的程度取决于很多因素，如总热阻（包括 TIM 各个面上的界面热阻）等。值得注意的是，TIM 的热阻可能是结温升高的一个重要因素，因此精确的 TIM 总热阻数据对于准确预测元器件温度十分重要。

随着 IC 封装面临的挑战愈演愈烈，封装供应商发现需要针对热应力进行设计，以便更好地适应元器件在应用环境中会经受到的应力。

Simcenter 为用于有限元分析的温度和热模型几何形状提供了高效的工作流程，并将热应变作为应力计算的边界条件。在 Simcenter 中，温度智能地映射到有限元网格上，系统会修正两种分析学科之间可能存在的几何对象形状差异。考虑范围内的组件可能包括封装、散热器（若已安装）以及焊接了元器件的电路板部分等。

本白皮书概要介绍了元器件温度预测的重要考虑事项。内容并未穷尽所有情况，有许多细节未予涉及。如果您负责确保元器件温度不超过规定限值，并且希望了解 Simcenter 热设计软件有何帮助，以及哪种产品适合您的应用，请通过文章底部方式联系上海坤道SimuCAD。

全文参考信息：

电解质电容器的热导率、热特性和温度测量研

https://ieeexplore.ieee.org/document/7749074

简化 PCB 热设计的 10 项提示 — 高级“应用方法”指南，Mentor Graphics 白皮书，2014 年 1 月。

JEDEC JESD51-14 “Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Caseof Semiconductor Devices with Heat Flow through a Single Path（测量单路径热流半导体器件外壳热阻结的瞬态双界面测试方法）”，2010 年 11 月。

https://www.jedec.org/sites/default/files/docs/JESD51-14_1.pdf

Rosten, H.I.和 Viswanath, R.（1994 年），Thermal modelling of the Pentium processor package（Pentium 处理器封装的热建模）， 第 44 届电子元器件及技术大会论文集，1994 年，第 421 – 428 页

L. Codecase、V. d’Alessandro、A. Magnani、N. Rinaldi 和 P. Zampardi，“Fast novel thermal analysis simulation tool for integrated circuits (FANTASTIC)（集成电路的五种新式分析仿真工具）”。

https://ieeexplore.ieee.org/document/6972507

Byron Blackmore、Mike Donnelly、Mahmood Alkhenaizi，“Including Electrothermal Effects in Electronics Design withConnected FANTASTIC BCI-ROMs（运用互连 FANTASTIC BCI-ROM，在电子器件设计中包含电热效应）”

https://ieeexplore.ieee.org/document/9406088

https://www.jedec.org/standards-documents/docs/jep181

Bornoff, Robin、Vass-Varnai, Andras（2013 年）“A Detailed IC Package Numerical Model Calibration Methodology（详细 IC 封装数值模型校准方法）”，第 29 届 SEMI-THERM 论文集，圣何塞，2013 年 3 月

http://www.mentor.com/products/mechanical/products/dyntim