熱仿真加速新產(chǎn)品上市

熱仿真加速新產(chǎn)品上市

Integrated Device Technology(IDT)每年大約有50個(gè)使用新封裝格式的產(chǎn)品上市，這50個(gè)新產(chǎn)品的散熱性能，之前一直依靠實(shí)際測(cè)試來(lái)保證。而通常情況下，第一版設(shè)計(jì)中的熱設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)率高達(dá)10%～20%，這些熱設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品，都需要進(jìn)行一次甚至多次的改進(jìn)設(shè)計(jì)以保證其散熱性能達(dá)標(biāo)。這樣通常會(huì)造成產(chǎn)品上市延期大約6周左右的時(shí)間，如果新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)包含重大改變，例如改用完全不同的封裝格式，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間的進(jìn)一步增加并使加工成本上升。

最近，IDT在對(duì)每一個(gè)采用新的封裝格式的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，使用Mentor Graphics公司Mechanical Analysis部門(mén)的FloTHERM和FloTHERM.PACK對(duì)它們進(jìn)行熱仿真分析，這樣可以大大減少熱測(cè)試的重復(fù)次數(shù)并縮短開(kāi)發(fā)周期。FloTHERM.PACK在線封裝模型生成工具能在約30分鐘內(nèi)生成一個(gè)全新封裝的模型，把模型導(dǎo)入到FloTHERM熱仿真分析軟件中，即可在很短的時(shí)間內(nèi)了解到封裝的散熱性能。IDT的工程師一般會(huì)評(píng)估多個(gè)不同封裝格式的散熱性能，并從中選取在散熱性能、板上空間利用、成本和其他指標(biāo)上都最優(yōu)的配置。IDT公司的高級(jí)封裝工程師Jitesh Shah說(shuō)：“自從我們對(duì)每個(gè)新封裝采用熱仿真分析后，我們從未發(fā)生過(guò)因?yàn)樯嵝阅芊矫娴脑蛞鸷笃诟脑O(shè)計(jì)或?qū)е律a(chǎn)延期的情況。”

IDT主要研發(fā)應(yīng)用于數(shù)字媒體產(chǎn)品中的混合信號(hào)半導(dǎo)體解決方案，公司全球約有2400名員工，并有1300多種產(chǎn)品應(yīng)用于15000種解決方案。IDT的技術(shù)主要用于協(xié)助處理器執(zhí)行基本的核心任務(wù)和功能(例如卸載、搜索和查表)，以此來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)和特定處理器的效率。使用IDT的時(shí)鐘、搜索引擎器件和預(yù)處理交換器件可解決服務(wù)質(zhì)量(QoS)、優(yōu)先權(quán)和來(lái)源目的功能等長(zhǎng)期以來(lái)處理器所面臨的瓶頸問(wèn)題。IDT的技術(shù)有助于提升處理器的使用效率，讓使用者能更快速的連接到所需要的數(shù)字媒體內(nèi)容，享受更為高效的數(shù)字媒體體驗(yàn)。

傳統(tǒng)的“制造—測(cè)試模式”

過(guò)去，IDT的工程師通過(guò)在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱測(cè)試，評(píng)估采用新封裝格式產(chǎn)品的散熱性能。他們通常采用一種上面裝有正向偏壓二極管的特殊熱測(cè)試晶片來(lái)測(cè)量封裝器件的結(jié)溫。工程們需要先將封裝器件安裝在一個(gè)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板上，然后在自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品的熱測(cè)試。這種情況下收集每一組測(cè)試數(shù)據(jù)的周期大概為4周到6周(具體工作包括：設(shè)計(jì)用于熱測(cè)試的封裝器件和測(cè)試電路板、制造用于熱測(cè)試的封裝器件和電路板組件以及測(cè)試)。這種方法的缺陷主要在于，只能在設(shè)計(jì)的后期，樣品制造出來(lái)后進(jìn)行產(chǎn)品的熱性能評(píng)估。而到了設(shè)計(jì)的后期，整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期所剩的時(shí)間已經(jīng)不多，為了不延誤產(chǎn)品的上市，最多可以進(jìn)行兩個(gè)方案的測(cè)試評(píng)估。通常情況下80%～90%的產(chǎn)品方案能滿足散熱性能要求，從而如期上市。

但是，還有10%～20%的產(chǎn)品，其原始設(shè)計(jì)不能滿足散熱要求。在這種情況下，結(jié)構(gòu)工程師就不得不重新開(kāi)始設(shè)計(jì)能夠滿足散熱性能要求的新方案。因此，產(chǎn)品上市就會(huì)被延期6周左右，并且由于涉及到設(shè)計(jì)修改與物理測(cè)試樣品制造，成本也因此上升。

傳統(tǒng)的“制造-測(cè)試模式”由于評(píng)估每個(gè)設(shè)計(jì)所花時(shí)間較長(zhǎng)(約4周至6周)，因此沒(méi)有足夠的時(shí)間評(píng)估替代方案，也就必然失去了遴選最優(yōu)方案的機(jī)會(huì)。

熱仿真可快速提供分析結(jié)果

20多年來(lái)，IDT一直在采用新的設(shè)計(jì)流程，從根本上減少新產(chǎn)品散熱性能評(píng)估所需的時(shí)間。IDT的工程師們使用Mentor Graphics公司的FloTHERM.PACK在線封裝模型生成工具為設(shè)計(jì)方案建模，輸入如封裝類型、尺寸、導(dǎo)線或球距、基板截面、芯片尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)描述IC封裝，即可在線生成產(chǎn)品的詳細(xì)熱模型、雙熱阻模型和Delphi熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，然后使用FloTHERM熱仿真分析軟件對(duì)模型進(jìn)行熱模擬分析，即可快速獲取器件熱特性的數(shù)據(jù)。

FloTHERM.PACK支持三種封裝模型：詳細(xì)熱模型、雙熱阻模型和Delphi熱阻網(wǎng)絡(luò)模型。詳細(xì)熱模型完整的描述了封裝特征，與雙熱阻模型和Delphi模型相比，需要的計(jì)算資源更多，得出的熱性能結(jié)果也最精準(zhǔn)；雙熱阻模型是按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)-殼(Junction-to-Case)熱阻以及結(jié)-板(Junction-to-Board)熱阻的計(jì)算規(guī)定來(lái)生成的，他們需要的計(jì)算資源很少，預(yù)測(cè)的結(jié)果在最差的情況下，準(zhǔn)確度保證在30%以內(nèi)；DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)了Project DELPHI提出的建模方法，它用熱阻網(wǎng)絡(luò)而不是兩個(gè)熱阻來(lái)描述封裝的散熱特性，比雙熱阻模型有很大改進(jìn)，對(duì)于任何電子產(chǎn)品合理的系統(tǒng)級(jí)分析，DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的結(jié)溫精準(zhǔn)度在10%以內(nèi)，而對(duì)計(jì)算資源的要求卻非常低，仿真時(shí)間也很短。

在線生成封裝的某一種熱分析模型后，IDT工程師將會(huì)把它導(dǎo)入到從FloTHERM.Pack網(wǎng)站上下載的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)熱分析環(huán)境或者自己用FloTHERM熱仿真軟件定義的熱分析環(huán)境中。用FloTHERM進(jìn)行仿真分析計(jì)算即可快速得到分析結(jié)果。仿真分析能提供整個(gè)設(shè)計(jì)方案完整的散熱分析數(shù)據(jù)報(bào)告，這些數(shù)據(jù)不僅包括環(huán)境溫度與器件結(jié)溫，也包含整個(gè)仿真模型內(nèi)每個(gè)位置的溫度以及風(fēng)速等參數(shù)值。

Shah說(shuō)：“仿真結(jié)果能幫助我們確定設(shè)計(jì)方案中的高熱阻區(qū)域，通過(guò)修改這些地方的設(shè)計(jì)即可優(yōu)化其散熱性能。我們僅需一天就能在設(shè)計(jì)早期模擬一個(gè)備用方案，所以我們有機(jī)會(huì)評(píng)估大量不同的設(shè)計(jì)方案，從而選取最優(yōu)方案。很多情況下，熱仿真幫助我們提高了對(duì)產(chǎn)品的性能優(yōu)化的洞察力，例如，我們能很快知道，對(duì)某個(gè)應(yīng)用，是否需要通過(guò)添加散熱器使產(chǎn)品散熱性能達(dá)標(biāo)?！?

熱仿真幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)

Shah向我們介紹了最近上市的一個(gè)產(chǎn)品，他通過(guò)仿真評(píng)估了很多備用方案，并在樣品制造之前，從熱性能的角度選取了最優(yōu)方案。這個(gè)產(chǎn)品是以微導(dǎo)線架封裝起來(lái)的多芯片模塊，包含兩個(gè)晶粒，一個(gè)處理器和一個(gè)時(shí)鐘。這個(gè)應(yīng)用的對(duì)散熱設(shè)計(jì)的要求非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閮蓚€(gè)芯片的溫度差必須控制在0.1oC或更低。這是因?yàn)闇夭顣?huì)影響到兩個(gè)芯片的協(xié)同工作，這兩個(gè)芯片必須在接近一模一樣的溫度下工作。

Shah考慮了兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)備用方案。將兩個(gè)晶粒并排放置在芯片基板上的優(yōu)勢(shì)是兩晶粒間熱阻小，組裝成本低，缺點(diǎn)是占用更多電路板空間。另一種方案將兩個(gè)晶粒重疊安裝，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間，缺點(diǎn)是高熱阻和高成本。Shah針對(duì)不同的方案生成了一系列的熱仿真分析模型，用芯片-芯片安裝和芯片-基板安裝熱界面材料兩種結(jié)構(gòu)方式來(lái)對(duì)比這兩種設(shè)計(jì)方案。

如果晶粒溫度必須控制在某個(gè)具體數(shù)字以內(nèi)，那么主要的挑戰(zhàn)是將晶粒間的溫度控制到非常低的水平。對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)備選方案，在FloTHERM.PACK在線模式中輸入封裝尺寸和材料屬性，然后，下載生成的模型，導(dǎo)入到FloTHERM中，并選擇在-55oC到85oC之間的六個(gè)環(huán)境溫度條件進(jìn)行熱仿真分析，以確?？紤]到了所有應(yīng)用環(huán)境。

節(jié)省電路板空間

“我分析，并列放置時(shí)熱性能最好，因?yàn)榇藭r(shí)兩晶粒通過(guò)芯片基板在熱性能方面是互通的，而且此方案中的熱界面材料的導(dǎo)熱性比堆疊方案中的明顯好很多，”Shah說(shuō)：“但是運(yùn)行仿真計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，堆疊方案的熱性能卻更好！認(rèn)真查看仿真結(jié)果，我決定將導(dǎo)熱性更好的界面材料用到堆疊方案中，這樣也許能獲取到并列排放方案中期望的結(jié)果。這個(gè)產(chǎn)品將會(huì)應(yīng)用到電路板空間非常珍貴的便攜式消費(fèi)品上，所以使用堆疊方案能夠?yàn)樵O(shè)備廠商提供巨大的便利?！?

Shah總結(jié)到：“對(duì)于熱仿真如何能夠改進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)流程，這個(gè)例子只是很多仿真應(yīng)用中的一個(gè)代表。熱仿真幫助避免在設(shè)計(jì)后期修改設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)品上市延期，幫助我們?cè)黾恿耸杖?。熱仿真也減少了產(chǎn)品研發(fā)成本，減少了樣品的數(shù)量。同時(shí)，熱仿真幫助從熱性能角度評(píng)估多個(gè)備選方案，對(duì)我們?nèi)缙谕瞥龀錾漠a(chǎn)品貢獻(xiàn)巨大?！?

圖1：塑膠球狀網(wǎng)陣排列封裝，封裝基板有1盎司銅的平面，無(wú)散熱塊。設(shè)備功率=3.5W，最高允許芯片溫度=125 oC，最高環(huán)境溫度=70 oC，熱仿真結(jié)果顯示，最高溫度接近最高允許溫度。