技术分享 | Simcenter Flotherm元器件热模型

摘要

元器件温度预测在很多方面都有重要意义。一直以来，元器件温度关系到可靠性，早期研究认为现场故障率与稳态元器件温度相关。近来，基于物理学的可靠性预测将电子组件的故障率与工作周期（开机、关机又开机等）内的温度变化幅度和温度变化率关联起来，而这两个因素均受稳态工作温度的影响。无论是要提高可靠性、改善性能，还是要避免运行中出现问题，精确的元器件温度预测都有助于热设计人员达成目标。

1、概述

在电路板布线之前或尚不知道电路板中层数的早期设计中，精确预测元器件温度是不可能的，因此不需要元器件的精密热模型。随着设计的深入，当PCB模型可以优化时，元器件热模型也应当优化。选择极为合适的元器件热模型是一个迭代过程，因为如果元器件的预测温度很高，则说明不仅需要优化元器件的热模型，还可能需要考虑元器件专用热管理解决方案。热管理解决方案可以涵盖电路板设计问题，例如通过使用热通孔将热量传导到埋在地下的地平面。

2、尽早在设计中使用简化热模型

在选择封装之前，要对元器件进行精确建模，并在热设计中使用元器件的三维图。引入了双热阻简化模型和DELPHI简化热模型。下面将更详细地讨论这些模型和其他热模型的预测精度。

2.1双热阻模型

双热阻简化热模型(CTM)是保真度最低的模型，能够预测壳温和结温。使用双热阻模型的一个好处是，除了简单的导热块以外，它不需要任何其他网格，因此对仿真时间无不利影响。虽然其计算量最小，但在最坏情况下，结温预测的误差可能高达±30%，而且会因封装类型和尺寸而有所不同。

该模型所基于的结- 壳热阻和结- 电路板热阻指标是在标准条件下测量的。JEDEC标准JESD15-3 要求结- 电路板热阻在具有连续电源和接地平面层的2s2p 电路板上测量。测量结-壳热阻时，需将封装顶部压在冷板上。因此，应用条件与测试条件越接近，双热阻模型的预测精度就越高。对于结-壳热阻，极为接近测试环境的应用环境是当元器件有一个散热器贴附整个封装表面时。

双热阻模型可用来初步评估所需散热器的尺寸。注意，双热阻模型的上表面是一个代表外壳的等温节点，这意味着散热器的基座将维持近等温状态。因此，双热阻模型可用来确定降低散热器空气侧热阻所需的鳍片数量、厚度和高度，但不能确定为了充分散热以确保传递到外部鳍片的热量不会受过度限制的基座厚度。和尺寸而有所不同。

2.2RC阶梯模型

对于具有单一热流路径的封装，如LED 和TO 式封装，有一种JEDEC 标准方法3 可用于测量从结点至封装调整片的热流路径的热阻-热容模型。注意，这种方法并不直接向封装的裸露上表面提供热阻。然而，如果能通过某种方式估算该热阻，那么就可以使用Simcenter Micred T3STER硬件创建一个考虑这种情况的RC 阶梯热模型。

Simcenter Micred T3STER 是业界领先的解决方案，可用于测量封装IC 以创建相应的热模型，从而直接用作Simcenter Flotherm 中的网络组件。与仅包含热阻的双热阻模型不同，这些模型还包含热容，因此可用于瞬态仿真。当应用环境接近测试冷板环境时，例如将封装焊接到MCPCB或高热导率板上的铜焊盘时，这些模型可提供出色的结果。

2.3DELPHI模型

DELPHI模型得名于Flomerics 有限公司在二十世纪90 年代后期协调开发的DELPHI项目。这些模型分割了上下表面，并用一个热阻矩阵将这些表面连接到结点和/或彼此连接。这些附加的内部热阻可根据边界条件调整流经这些封装内部路径的热量。在很多应用中，该模型预测的最坏情况结温精度都在±10%范围内。一般来说，DELPHI模型足以应付大多数详细热设计工作，但以下情况除外：热特性极为关键的封装，叠层或三维IC，以及需要通过仿真获得额外信息（例如芯片表面的温度分布）的情况。与双电阻模型一样，它们只包含电阻，所以只能用于稳态模拟。

2.4详细模型

详细模型是以离散方式为封装内部所有热相关特性建模的热模型。注意，这些模型常常包含一定程度的近似，因为个别封装键合线和焊球等特性常常是集总考虑的。然而，此类模型的目的是为了精确反映封装内部的温度分布。使用的几何形状和材料属性正确的话，此类模型可提供极高的保真度。

对于需要散热器、风扇组件或导热垫等特定热管理解决方案的元器件，应当详细建模以便正确优化散热解决方案。例如，就散热器而言，众所周知，封装内的温度分布会影响散热器内的温度分布，反之亦然。为此，建议针对此类用途使用详细封装热模型。详细模型的另一个优点是可以预测焊接互连的温度。热机械剪应力加上温度变化，是影响焊点寿命的主要压力源。

2.5BCI-ROM

就预测元器件温度方面，最近的先进技术是使用降阶模型，即ROM。ROM现在可独立于边界条件(BCI)创建，而不用针对某个特定的热环境。这就意味着，BCI-ROM可由封装供应商独立于热环境创建，并提供给最终用户用于模拟特定的热环境。它们的格式有原始矩阵、SPICE、VHDL-AMS和FMU。Simcenter内部有一系列BCI-ROM 的编创选项。

BCI-ROM 还有其他理想的特征：

• 高度精确，创建过程中要明确规定精确度（通常大于98%）

• 支持多个热源

• 支持所有瞬态时间尺度

• 隐藏敏感 IP，因为从中推导出这些IP 的母体详细模型的内部几何形状无法从ROM中进行逆向工程

• 报告供应商定义的适当结温，而供应商不必透露该温度在模型中的位置。

• 比详细模型更快地解决数量级问题

这个方法的主要优势是这些模型可以包含在电路模拟器中，比如Xpedition AMS 和PartQuest Explore ，让电路模拟器可以感知温度，这是设计早期准确估算功率的关键点。

在三维 CFD模拟器中使用 BCI-ROM有可能彻底改变封装热模型供应链，而且BCI-ROM 也可以为整个电路板创建。

3、总结

准确、高效的仿真模型是完成虚拟仿真、实现精确设计、指导实际应用等功能的重要基础。在电力电子电能变换领域不同设计阶段和应用背景下，对仿真模型的特性、精度和仿真速度有着不同要求。因此，根据需求选择合适精度的元器件模型是建模工作的关键，也是提升预测元器件温度准确度的重要保证。

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