熱仿真加速新產(chǎn)品上市

Integrated Device Technology(IDT)每年大約有50個使用新封裝格式的產(chǎn)品上市，這50個新產(chǎn)品的散熱性能，之前一直依靠實(shí)際測試來保證。而通常情況下，第一版設(shè)計中的熱設(shè)計不達(dá)標(biāo)率高達(dá)10%～20%，這些熱設(shè)計不達(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)計以保證其散熱性能達(dá)標(biāo)。這樣通常會造成產(chǎn)品上市延期大約6周左右的時間，如果新產(chǎn)品的設(shè)計包含重大改變，例如改用完全不同的封裝格式，則會導(dǎo)致設(shè)計時間的進(jìn)一步增加并使加工成本上升。

最近，IDT在對每一個采用新的封裝格式的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際測試之前，使用Mentor Graphics公司Mechanical Analysis部門的FloTHERM和FloTHERM.PACK對它們進(jìn)行熱仿真分析，這樣可以大大減少熱測試的重復(fù)次數(shù)并縮短開發(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，即可在很短的時間內(nèi)了解到封裝的散熱性能。IDT的工程師一般會評估多個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公司的高級封裝工程師Jitesh Shah說：“自從我們對每個新封裝采用熱仿真分析后，我們從未發(fā)生過因?yàn)樯嵝阅芊矫娴脑蛞鸷笃诟脑O(shè)計或?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)，以此來提高網(wǎng)絡(luò)和特定處理器的效率。使用IDT的時鐘、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)和來源目的功能等長期以來處理器所面臨的瓶頸問題。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—測試模式”

過去，IDT的工程師通過在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行熱測試，評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試晶片來測量封裝器件的結(jié)溫。工程們需要先將封裝器件安裝在一個JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測試板上，然后在自然對流和強(qiáng)迫對流環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品的熱測試。這種情況下收集每一組測試數(shù)據(jù)的周期大概為4周到6周(具體工作包括：設(shè)計用于熱測試的封裝器件和測試電路板、制造用于熱測試的封裝器件和電路板組件以及測試)。這種方法的缺陷主要在于，只能在設(shè)計的后期，樣品制造出來后進(jìn)行產(chǎn)品的熱性能評估。而到了設(shè)計的后期，整個產(chǎn)品開發(fā)周期所剩的時間已經(jīng)不多，為了不延誤產(chǎn)品的上市，最多可以進(jìn)行兩個方案的測試評估。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始設(shè)計能夠滿足散熱性能要求的新方案。因此，產(chǎn)品上市就會被延期6周左右，并且由于涉及到設(shè)計修改與物理測試樣品制造，成本也因此上升。

傳統(tǒng)的“制造-測試模式”由于評估每個設(shè)計所花時間較長(約4周至6周)，因此沒有足夠的時間評估替代方案，也就必然失去了遴選最優(yōu)方案的機(jī)會。

熱仿真可快速提供分析結(jié)果

20多年來，IDT一直在采用新的設(shè)計流程，從根本上減少新產(chǎn)品散熱性能評估所需的時間。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)計參數(shù)來描述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)對結(jié)-殼(Junction-to-Case)熱阻以及結(jié)-板(Junction-to-Board)熱阻的計算規(guī)定來生成的，他們需要的計算資源很少，預(yù)測的結(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)而不是兩個熱阻來描述封裝的散熱特性，比雙熱阻模型有很大改進(jìn)，對于任何電子產(chǎn)品合理的系統(tǒng)級分析，DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的結(jié)溫精準(zhǔn)度在10%以內(nèi)，而對計算資源的要求卻非常低，仿真時間也很短。

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)行仿真分析計算即可快速得到分析結(jié)果。仿真分析能提供整個設(shè)計方案完整的散熱分析數(shù)據(jù)報告，這些數(shù)據(jù)不僅包括環(huán)境溫度與器件結(jié)溫，也包含整個仿真模型內(nèi)每個位置的溫度以及風(fēng)速等參數(shù)值。

Shah說：“仿真結(jié)果能幫助我們確定設(shè)計方案中的高熱阻區(qū)域，通過修改這些地方的設(shè)計即可優(yōu)化其散熱性能。我們僅需一天就能在設(shè)計早期模擬一個備用方案，所以我們有機(jī)會評估大量不同的設(shè)計方案，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產(chǎn)品的性能優(yōu)化的洞察力，例如，我們能很快知道，對某個應(yīng)用，是否需要通過添加散熱器使產(chǎn)品散熱性能達(dá)標(biāo)。”

熱仿真幫助優(yōu)化設(shè)計

Shah向我們介紹了最近上市的一個產(chǎn)品，他通過仿真評估了很多備用方案，并在樣品制造之前，從熱性能的角度選取了最優(yōu)方案。這個產(chǎn)品是以微導(dǎo)線架封裝起來的多芯片模塊，包含兩個晶粒，一個處理器和一個時鐘。這個應(yīng)用的對散熱設(shè)計的要求非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閮蓚€芯片的溫度差必須控制在0.1oC或更低。這是因?yàn)闇夭顣绊懙絻蓚€芯片的協(xié)同工作，這兩個芯片必須在接近一模一樣的溫度下工作。

Shah考慮了兩個主要的設(shè)計備用方案。將兩個晶粒并排放置在芯片基板上的優(yōu)勢是兩晶粒間熱阻小，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)方式來對比這兩種設(shè)計方案。

如果晶粒溫度必須控制在某個具體數(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。對每一個設(shè)計備選方案，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之間的六個環(huán)境溫度條件進(jìn)行熱仿真分析，以確保考慮到了所有應(yīng)用環(huán)境。

節(jié)省電路板空間

“我分析，并列放置時熱性能最好，因?yàn)榇藭r兩晶粒通過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：“但是運(yùn)行仿真計算后發(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。這個產(chǎn)品將會應(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：“對于熱仿真如何能夠改進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)流程，這個例子只是很多仿真應(yīng)用中的一個代表。熱仿真幫助避免在設(shè)計后期修改設(shè)計，避免產(chǎn)品上市延期，幫助我們增加了收入。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，熱仿真幫助從熱性能角度評估多個備選方案，對我們?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。

圖2：與圖1案例相同，但是銅平面改為2盎司，添加了散熱塊。溫度現(xiàn)在遠(yuǎn)低于最高允許溫度，但2盎司銅平面以及散熱塊增加了成本。

圖3：本設(shè)計使用2盎司的銅平面，不使用散熱塊。成本比圖2方案略高，但是溫度降到了可接受的范圍。這是最終設(shè)計方案。