本文要點

要想準確預測集成電路封裝的結溫和熱阻，進而優化散熱性能，仿真的作用舉足輕重。

準確的材料屬性、全面的邊界條件設置、真實的氣流建模、時域分析以及實證數據驗證是成功進行集成電路封裝熱仿真的關鍵。

要實現高效傳熱，必須了解并管理集成電路封裝的熱阻 ΘJA、ΘJC 和 ΘJB。

要想確保集成電路的可靠性，有必要了解封裝的熱特性。要將器件結溫保持在允許的最大限值以下，集成電路必須能夠通過封裝有效散熱。集成電路封裝熱仿真有助于預測結溫和封裝熱阻，從而幫助優化熱性能以滿足特定要求。

集成電路封裝熱仿真要點

準確的材料屬性

確保仿真中使用的材料熱特性準確無誤，并隨溫度變化而變化。

全面的邊界條件設置

設置的邊界條件要盡量接近真實世界場景，以獲得更準確的仿真結果。

納入實際氣流模式

在風冷系統中，要對實際氣流模式進行建模，而不是假設理想條件。

動態系統的時域分析

進行時域熱分析，了解隨時間變化的熱響應，尤其是在動態系統中。

實證數據驗證

盡可能利用物理原型的實證數據來驗證仿真結果。

集成電路封裝晶體管熱仿真

集成電路封裝熱仿真流程的步驟（示例）

1

創建三維模型

包括裸片、基板、鍵合線、封裝材料和封裝主體，以及任何外部引腳、金屬片或其他必要的散熱器。

2

確定仿真的材料參數和邊界條件

熱仿真中的關鍵材料參數包括比熱和熱傳導率。這些屬性與溫度有關，需要仔細定義以確保準確性。

邊界條件至關重要，因為它們決定了模型邊緣的溫度和熱量傳遞。這些邊界可以是熱沉邊界，用于散熱，也可以是熱絕熱邊界。在模型周圍都是空氣的情況下，空氣的存在和流動成為嚴重影響整個模型溫度分布的重要因素。

3

確定并分析隨時間變化的溫度分布

除了確定最終溫度或靜止溫度外，分析溫度分布隨時間變化的情況也能為熱仿真提供更多啟示。例如，在對封裝器件進行基于時間的仿真時，可以觀察 100 毫秒內的溫度分布。這種基于時間的仿真提供了兩個視角：

熱量主要來自熱源，在最初的 100 毫秒內，根據封裝的熱阻，發熱可能是一種局部現象，也可能蔓延到電路板的其他部分。

通過分析可了解熱量傳播方向的趨勢，以及不同器件和材料在此過程中的作用。例如，鍵合線可能會造成很大的影響，而作為絕緣體的模塑可能不會顯著改變初始時間內的溫度分布。

這種基于時間的詳細仿真對于了解器件內的熱動力學至關重要。

仿真時應重點關注的器件

1

裸片

大多數集成電路封裝中的熱源是裸片，裸片的材料屬性和發熱特性是仿真的核心

2

鍵合線

鍵合線經常被忽視，但它對封裝內的熱分布有重大影響

3

封裝模塑

封裝模塑起到絕緣體的作用，材料的熱特性和厚度對散熱有重要影響

4

引線和焊點

引線和焊點是熱量傳遞到 PCB 的次要途徑，會影響整體熱性能

熱阻

半導體中的熱量管理幾乎與熱阻（通常以“θ”表示）直接相關，熱阻是描述材料傳熱特性的關鍵指標。集成電路 (IC) 封裝的熱阻用于量化將 IC 產生的熱量傳遞到電路板或周圍環境的能力。給定兩個不同點的溫度后，只需根據熱阻值就能精確確定這兩個點之間的熱流量。

集成電路封裝熱阻變量分析——

Allegro X Advanced Package Designer（Allegro X APD）為集成電路封裝提供了先進的設計和分析工具，可用于實現高效的引線鍵合設計技術、約束感知基板互連設計以及詳細的互連提取、建模和信號完整性/供電分析，進一步增強了 Cadence 熱仿真解決方案的功能，助力設計人員有效優化設計的熱性能。