電子組件的電熱建模與可靠性預測 - 全文

　　電子技術的發展使得集成度越來越高。如果1960年電路中只有一個晶體管的話，那么現在每個集成電路硅片中至少有50萬個晶體管。雖然硅片晶體管實現技術的進步使得晶體管的功耗不斷降低，但硅片上單位面積的功耗卻仍在增加。晶體管數量的迅速增加無法通過降低熱量消耗來補償。事實上，器件遇到的熱問題不是與功率相關而是與溫度相關。

　　不過，熱問題卻是功率密度的一個直接函數。在某些計算機中，單位面積硅片消耗的功率約為500 kW/m2，這完全可與宇宙飛船返回大氣層時前部所承受的氣流密度相比。在元件的壽命期間，失效原因主要有兩個：1. 設計因素與/或內部構成;2. 元件所處環境的影響。氣候約束主要源于溫度、濕度、氣壓和太陽輻射。

　　所有電子元件都對溫度敏感：超出極限溫度時它們的性能將變得很差，如果溫度大大超出工作溫度范圍，元件可能會損壞。工作溫度是由制造商規定的，一般情況下為： * 工業級：0～70 °C; * 民用級：-20～+85 °C; * 軍用級：-55～125 °C。

　　制造商通常都會指出最大工作溫度。這個溫度的影響體現在以下方面： (a) 電性能：該溫度可能是一個極限值，超出這個溫度將無法保證正常工作。參數漂移將導致不同程度的性能降低，直至失效;(b) 封裝會受到溫度劇烈變化的影響。在臨界溫度，元件的物理結構將發生狀態改變。溫度變化會加速材料約束的蠕變和松弛，并可能導致失效;3. 膨脹系數不同的多種材料相互聯系的熱循環會引起非常顯著的應力，有可能導致瞬間斷裂，或者引發長期而言將導致斷裂的疲勞。

　　因此，冷卻電子元件的目的是為了讓每個元件處在額定的工作溫度范圍之內。

　　這就是EPSILON Ingénierie公司使用電子器件熱仿真軟件REBECA-3D時，所面臨的熱模擬挑戰。

　　REBECA-3D軟件

　　REBECA-3D(三維應用可靠邊界元傳導分析軟件)對由傳導交換所驅動的熱傳遞進行仿真。由于采用了邊界元方法(Boundary Element Method，BEM)，REBECA-3D既是一個設計工具，又是一個建模工具。它比經典方法給出了更為精確和可靠的結果。下面將介紹這個三維軟件的獨創性，以顯示其重要性。在電子元件領域，精確了解熱性能具有關鍵意義。例如，它對更好地預測元件在其所處環境中的性能和可靠性有著重要的影響。

　　研究熱性能必須使用建模工具。強大和精確的參數分析工具顯然需要調整幾何、電子和熱參數。REBECA-3D在各種數值方法中選擇了邊界元法，因為它允許顯著降低模型的幾何復雜度，這種方法也適合通過很少的計算來進行敏感度研究。

　　1. REBECA-3D的應用領域

　　REBECA-3D的主要應用領域包括： (a) MEMS/MST; (b) 微觀三維結構(硅和砷化鎵); (c) 封裝; (d) MMIC、HEMT器件; (e) MCM (多芯片模塊、倒裝芯片……); (f) 合成器件(薄膜/厚膜/MIC……); (g) 功率電子模塊; (h) 光電器件;

　　2. REBECA-3D的獨創性

　　REBECA-3D的獨創性與其采用的數值方法緊密相關。REBECA-3D建立在邊界元法的基礎上，這種數值方法的采用直接帶來了大量的優勢和全新的可能。

　　正如Sevilla大學的Dominguez教授所說：“邊界元法已成為替代有限元法(以及有限差分法等)的一種功能強大的方法，尤其是在需要更高精度的時候?！贝送?，“在許多工程應用中，有限元法已被證明是不足夠的或低效率的?！倍吔缭▌t是效率和速度的雙重結果。

　　“在很多情況下，經典的數值方法使用起來過于麻煩，因此很難將它們集成到計算機輔助工程設計系統中去。例如，有限元法仍然是一種相對較慢的設計方法，以至于許多工程師寧愿選擇可靠性一般但非?？斓慕品椒??！毕喾矗吔缭ㄖ话Ｐ瓦吔绲碾x散化處理，然后提供一種更快的問題建模方法。對于三維模型，它可以更為迅速地評估具體設計中的參數變化。在需要進行設計優化和熱性能表征的尖端電子器件分析中，減少計算時間已成為一項優先考慮。

　　3. 降低維數

　　REBECA-3D在建模方面的第一個優勢是降低了維數：三維問題被降階為一組二維問題，只需進行表面結合即可。盡管傳導性能取決于溫度情況，也不需要進行內部幾何的網格劃分，不需要任何內部未知量和內部網格分割。因此，無需進行離散化處理就可將邊界溫度和流量計算出來。而且，REBECA-3D在降低問題維數的同時并沒有犧牲精度和可靠性。

　　維數的降低為經典數值方法提供了新的可能性：

　　(a) 由于沒有任何內部結合，研究包括不同比例因子元(如，硅片厚度與元件長度之比)在內的一些問題也變得很容易。因此，不需要對體積進行精確的網格劃分。網格長度常常符合一個細小表面的幾何級數。

　　(b) 由于沒有任何內部網格劃分，產生運行問題所需的數據變得很容易，從而簡化了模型。對于同一精確程度的結果，REBECA-3D所需網格數量的重要性常常比經典方法要低上一百倍。

　　4. 參數研究

　　REBECA-3D另一個有吸引力的優點是，它使得通過極少量計算而迅速方便地進行大量靈敏度研究變得更為可能。因此在表征過程中，可以通過很少的計算來來進行參數研究。這一點對于設計階段和了解系統特別關鍵。因此，有可能可以根據不同參數對研究進展的影響在它們之間創建一個層次結構。通過結合高性能的數學技巧和一種基于對象概念的方法，REBECA-3D成為一種特別適合進行參數研究的工具。對邊界元模型的修改完全是本地的，網格劃分也可以非常迅速地進行修改。

　　由于REBECA-3D同時計算溫度和流量，其結果比使用其他數值方法更為精確。結果的精度也通過使用經典數值方法(F.E.M和F.D.M)進行的測試以及與實驗結果(液晶法、標準紅外熱像儀系統、專用實驗裝置)的比較得到了證明。上述優點帶來的其他結果是：(a) 減少了計算時間。前面所述各點的結果就是，與其他軟件(詳細技術內容參見文獻2和文獻3)相比，REBECA-3D節省了時間。(b) 容易與其他軟件合成。由于傳導是在邊界水平進行處理，因此很容易將REBECA-3D與其他熱軟件結合起來，以便研究關聯復合的熱問題。如包含多次反射的輻射、具有流體力學結構的對流等。

　　REBECA-3D的用途

　　REBECA-3D獨立地應用在許多領域，用來解決大量的傳導問題。在電子器件領域，從晶體管一級到PCB一級都可使用REBECA-3D。例如，可以用它來表征PCB上的元器件固化后對封裝接點溫度的影響。相應的模型考慮了5個尺寸因子，如：硅片的厚度為幾個微米，PCB的長度為幾個厘米。

　　對于電子元件，REBECA-3D可用于以下多種目的： (a) 工作和設計優化：包括晶體管、元器件和PCB; (b) 熱性能表征; (c) 數據手冊驗證：Rthja(與周圍環境相關)、Rthjc (與應用場合相關)、瞬態熱阻抗、標準JEDEC環境、故障測試(AATC、LLTC); (d) 可靠性與性能改進：熱工作范圍距離;

　　上述各種目的可能應用在整個工作環境中都要考慮，包括： (a) 電子：功率失效(電流、電壓等); (b) 熱：傳導(硅片、布局、過孔)、對流等。

　　REBECA-3D的特性

　　REBECA-3D目前的商業版本(3.0版)允許使用非結構性表面網格分割來解決實際的熱傳導三維問題。REBECA-3D的主要特性如下：

　　* 友好的用戶界面減少了建模時間 * CAD幾何輸入 * 方便地定義材料性質 * 自動產生網格分割 * 電子材料數據庫 * 等價的材料屬性工具 * 穩態/瞬態應用 * 熱參數研究 * 電熱特性 * 對輻射和對流熱傳遞進行預表征的傳導建模 * 方便連接到其他軟件： * 用于電-熱仿真的電子模塊 * 用于復雜熱-流模型的流體模塊 * 用于發熱-機械分析的機械模塊 * 集成了熱電冷卻模塊

　　REBECA-3D專門為電子工程師設計，是一個用來提高可靠性和確定電子組件設計的電熱分析軟件，它建立在邊界元方法的基礎上，既是一個仿真工具又是一個設計工具。

　　研究和開發

　　EPSILON Ingénierie與FREESCALE、MBDA、 THALES、 LAAS、 ALSTOM 等公司合作，參與了大國家與歐洲研究計劃，由此開展了對電子元件可靠性的高層次研究。包括：(a) 生產(制造)，包括封裝工藝(晶圓報告、鑄模注射)和PCB焊接;(b) 壽命(工作)，包括熱工作循環產生的應力和變形、封裝優化與瞬態記錄定義、循環電熱機械學的實現、熱工作范圍、多層方法(自頂向下、自底向上)、報廢(失效)、失效前循環次數計算、疲勞定律的實現。

　　很多工作都需要開發新的技術途徑，并最終導致它們要么被集成到REBECA-3D之內，要么與REBECA-3D應用結合到了一起。

　　1. 發熱特性(Rjc、Rja、Zth)

　　REBECA-3D應用的第一個例子是確定或驗證數據手冊中Rjc和Rja這兩個熱阻以及瞬態熱阻抗Zth的數值。