|
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)際測試來(lái)保證。而通常情況下，第一版設計中的熱設計不達標率高達10%～20%，這些熱設計不達標的產(chǎn)品，都需要進(jìn)行一次甚至多次的改進(jìn)設計以保證其散熱性能達標。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)品的設計包含重大改變，例如改用完全不同的封裝格式，則會(huì )導致設計時(shí)間的進(jìn)一步增加并使加工成本上升。 最近，IDT在對每一個(gè)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(mén)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次數并縮短開(kāi)發(fā)周期。FloTHERM.PACK在線(xiàn)封裝模型生成工具能在約30分鐘內生成一個(gè)全新封裝的模型，把模型導入到FloTHERM熱仿真分析軟件中，即可在很短的時(shí)間內了解到封裝的散熱性能。IDT的工程師一般會(huì )評估多個(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、成本和其他指標上都最優(yōu)的配置。IDT公司的高級封裝工程師Jitesh Shah說(shuō)：“自從我們對每個(gè)新封裝采用熱仿真分析后，我們從未發(fā)生過(guò)因為散熱性能方面的原因引起后期更改設計或導致生產(chǎn)延期的情況�！� IDT 主要研發(fā)應用于數字媒體產(chǎn)品中的混合信號半導體解決方案，公司全球約有2400名員工，并有1300多種產(chǎn)品應用于15000種解決方案。IDT的技術(shù)主要用于協(xié)助處理器執行基本的核心任務(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、搜索引擎器件和預處理交換器件可解決服務(wù)質(zhì)量(QoS)、優(yōu)先權和來(lái)源目的功能等長(cháng)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字媒體內容，享受更為高效的數字媒體體驗。 傳統的“制造—測試模式” 過(guò)去，IDT的工程師通過(guò)在JEDEC標準環(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(lái)測量封裝器件的結溫。工程們需要先將封裝器件安裝在一個(gè)JEDEC標準測試板上，然后在自然對流和強迫對流環(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據的周期大概為4周到6周(具體工作包括：設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，只能在設計的后期，樣品制造出來(lái)后進(jìn)行產(chǎn)品的熱性能評估。而到了設計的后期，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)方案的測試評估。通常情況下80%～90%的產(chǎn)品方案能滿(mǎn)足散熱性能要求，從而如期上市。 但是，還有 10%～20%的產(chǎn)品，其原始設計不能滿(mǎn)足散熱要求。在這種情況下，結構工程師就不得不重新開(kāi)始設計能夠滿(mǎn)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，并且由于涉及到設計修改與物理測試樣品制造，成本也因此上升。 傳統的“制造-測試模式”由于評估每個(gè)設計所花時(shí)間較長(cháng)(約4周至6周)，因此沒(méi)有足夠的時(shí)間評估替代方案，也就必然失去了遴選最優(yōu)方案的機會(huì )。 熱仿真可快速提供分析結果 20多年來(lái)，IDT一直在采用新的設計流程，從根本上減少新產(chǎn)品散熱性能評估所需的時(shí)間。IDT的工程師們使用Mentor Graphics公司的FloTHERM.PACK在線(xiàn)封裝模型生成工具為設計方案建模，輸入如封裝類(lèi)型、尺寸、導線(xiàn)或球距、基板截面、芯片尺寸等設計參數來(lái)描述IC封裝，即可在線(xiàn)生成產(chǎn)品的詳細熱模型、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據。 FloTHERM.PACK支持三種封裝模型：詳細熱模型、雙熱阻模型和Delphi熱阻網(wǎng)絡(luò )模型。詳細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，得出的熱性能結果也最精準；雙熱阻模型是按照 JEDEC標準對結-殼(Junction-to-Case)熱阻以及結-板(Junction-to-Board)熱阻的計算規定來(lái)生成的，他們需要的計算資源很少，預測的結果在最差的情況下，準確度保證在30%以?xún)�；DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò )模型實(shí)現了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)，對于任何電子產(chǎn)品合理的系統級分析，DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò )模型預測的結溫精準度在10%以?xún)�，而對計算資源的要求卻非常低，仿真時(shí)間也很短。 在線(xiàn)生成封裝的某一種熱分析模型后，IDT工程師將會(huì )把它導入到從FloTHERM.Pack網(wǎng)站上下載的JEDEC標準熱分析環(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果。仿真分析能提供整個(gè)設計方案完整的散熱分析數據報告，這些數據不僅包括環(huán)境溫度與器件結溫，也包含整個(gè)仿真模型內每個(gè)位置的溫度以及風(fēng)速等參數值。 Shah說(shuō)：“仿真結果能幫助我們確定設計方案中的高熱阻區域，通過(guò)修改這些地方的設計即可優(yōu)化其散熱性能。我們僅需一天就能在設計早期模擬一個(gè)備用方案，所以我們有機會(huì )評估大量不同的設計方案，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(gè)應用，是否需要通過(guò)添加散熱器使產(chǎn)品散熱性能達標�！� 熱仿真幫助優(yōu)化設計 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)品是以微導線(xiàn)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)應用的對散熱設計的要求非常具有挑戰性，因為兩個(gè)芯片的溫度差必須控制在0.1oC或更低。這是因為溫差會(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)主要的設計備用方案。將兩個(gè)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(gè)晶粒重疊安裝，優(yōu)點(diǎn)是節省空間，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構方式來(lái)對比這兩種設計方案。 如果晶粒溫度必須控制在某個(gè)具體數字以?xún)�，那么主要的挑戰是將晶粒間的溫度控制到非常低的水平。對每一個(gè)設計備選方案，在FloTHERM.PACK在線(xiàn)模式中輸入封裝尺寸和材料屬性，然后，下載生成的模型，導入到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]到了所有應用環(huán)境。 節省電路板空間 “我分析，并列放置時(shí)熱性能最好，因為此時(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熱性比堆疊方案中的明顯好很多，”Shah說(shuō)：“但是運行仿真計算后發(fā)現，堆疊方案的熱性能卻更好！認真查看仿真結果，我決定將導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果。這個(gè)產(chǎn)品將會(huì )應用到電路板空間非常珍貴的便攜式消費品上，所以使用堆疊方案能夠為設備廠(chǎng)商提供巨大的便利�！� Shah總結到：“對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用中的一個(gè)代表。熱仿真幫助避免在設計后期修改設計，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，減少了樣品的數量。同時(shí)，熱仿真幫助從熱性能角度評估多個(gè)備選方案，對我們如期推出出色的產(chǎn)品貢獻巨大�！� 
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。溫度現在遠低于最高允許溫度，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。這是最終設計方案。 作者：Mentor Graphics公司 徐磊 |
