介紹一下強光探照燈基於統計的常用熱阻模型
典型的強光探照燈熱阻模型就是用一些熱阻網絡代替封裝的熱流路徑,進而可以通過計算或有限元(FEM)和計算流體力學(CFD)軟體在模擬和預測晶片溫度和線路板的溫度分布。熱阻模型又可分為穩態模型和動態模型。動態模型是以穩態模型為基礎加入熱容等因素而形成的,它需要考慮的環境條件因素更為複雜。常見的穩態熱模型有單熱阻模型、兩熱阻模型、星形網絡模型和DELPHI 簡化模型等]。這些模型基於統計的觀點,常用於半導體器件的封裝中。
一、單熱阻模型
這是最簡單的熱阻模型,它由PN結到環境的熱阻RJA來表示,目前的晶片手冊上大多都有這個熱阻值。在強光探照燈應用環境下,85%~90%的輸入電功率轉換為了熱能量。整理得結溫計算公式:
TJ = TA + R. P
通過上式即可計算晶片的結溫。由於單熱阻模型使用簡便,現在仍在廣泛使用。
在大功率強光探照燈封裝中主要也是使用此種熱阻模型。
二、雙熱阻模型
雙熱阻模型是常見的簡化穩態熱模型。目前,兩熱阻簡化模型中的熱阻值有三種方法可以得到。
第一種方法是按照JEDEC和SEMI標準得到兩個熱阻值,該方法建立的模型屬於傳統兩熱阻模型。其中,按EIA/JESD51-8(集成電路熱測試方法環境條件一結到板)標準測試方法可得結到板的熱阻Rjb；按美軍標MIL-STD-883D中方法1012.1等測試法可得殼到板的熱阻Rjc。
第二種方法是由Tal和Nabi提出的PERIMA方法。該方法原理是將現在大量晶片手冊中提供的熱阻Rja和Rjc。通過一種算法轉化成雙熱阻模型中所需要的Rjb和Rjt。此處有一點說明,Rjt是指結到封裝頂部表面的熱阻,而Rjc指結到封裝外殼的熱阻,主要區別在於所涉及的封裝表面積範圍不同:前者指頂部表面;後者指最接近晶片安裝區域的封裝表面,有可能是封裝頂部表面也有可能是封裝底部表面,如果封裝表面安裝散熱器,則該表面與散熱器底座面積完全一致。
第三種方法是由YanivTal提出的一種用MTSA方法改進的兩熱阻模型。MTSA方法的主要思想是通過修正晶片封裝頂部表面積值而近似考慮頂部表面溫度剖面的影響因素,即不再像傳統的兩熱阻模型那樣認為封裝頂部表面是等溫表面,而是把頂部表面劃分成一個中心高溫區和一個邊緣低溫區來處理。
但是,在大功率強光探照燈的封裝中,使用雙熱阻模型有不便之處:一是大功率強光探照燈往上傳熱較為困難:二是大功率強光探照燈的頂部為一圓球(矽膠透鏡),不滿足劃分頂部溫度區域的條件。最近JEDEC準備發布「兩熱阻簡化模型標準」,這將成為電子封裝業的第一個權
威標準。但其中未聽說報導含有包括大功率強光探照燈的雙熱阻模型。
三、星型熱阻模型與DELPHI熱阻簡化模型
星型網絡模型是指在兩熱阻模型的基礎上又添加了結到側表面的熱阻。求解星型模型的係數必須建立封裝的詳細有限元數值模型,通過隨機產生的表面溫度和耗散功率校準該模型。校準後可得到器件結溫,最後利用結溫可以求得星型網絡模型的溫度影響係數。星型網絡模型現在基本被DELPHI多熱阻模型所取代。一個PLCC封裝星型模型與FC-PGBA封裝DELPHI簡化模型分別如圖1-1和圖1-2所示
多熱阻模型的優點是熱分析行業內普遍認可的,它的精度優於兩熱阻模型。目前多熱阻模型的精度是大部分工程應用能夠接受的。國內的電子設備分析師在逐漸地使用多熱阻模型,主要是購買國外軟體商的多熱阻數據。
在國際上,大型的晶片製造商很早就開始了對晶片熱阻提取方法的研究。1993年11月,來自五個歐洲成員國的六家公司開始了一個名為DELPHII的研究計劃。該計劃歷時3年,於1996年11月完成。他們的研究成果就是提出了一個與環境無關的晶片熱阻提取方案_DELPHI熱阻模型。至今,這一模型已經被成功應用於電子設備熱設計中。並且，開發成員之一的Flometic公司還將此技術開發為商業軟體從中獲利,在其後的開發中,DELPHI 受到了歐盟的資助,併力圖將這一模型經過晶片廠商的評價和開發,最終推廣到部件廠商中去,由他們給出每種新的晶片的熱阻模型,這就是後來的SEED研究計劃。最初,有三家歐洲半導體廠商參與這項計劃他們是飛利浦半導體、西門子半導體、SGS-湯姆森公司,後來這一計劃也將美國和日本的一些廠商加入。因此,DELPHI熱阻模型是目前世界最流行的熱阻提取方法。
DELPHI 簡化模型在星型網絡模型的基礎上添加了部分表面結點之間的熱阻並進一步
優化簡化模型。DELPHI 模型提出「邊界條件獨立」的概念,即滿足該條件的模型可以在任
何特定應用環境下使用。為了更全面的模擬器件在真實環境下的熱流狀況,DELPHI工程
中提出了38組邊界條件,後改為58組邊界條件。每一組邊界條件是在器件封裝的頂面、
底面、側面和引腳等部分上的傳熱係數的組合。經常取一些極限的傳熱係數看模型在各種
情況下的表現,經過統計分析然後求得一個電子封裝的簡化模型。
DELPHI模型的建立步驟主要有如下四步:
第一步是收集封裝的詳細參數,如晶片與基底等封裝內部組成的物理尺寸、引腳或焊
料微球的尺寸及分布特點、晶片功耗、封裝內各組成部分材料的導熱率等。
第二步是利用第一步中的參數以及封裝特點通過專業熱分析熱設計軟體對器件建立
詳細的熱模型。以單晶片封裝為例,一個詳細模型由一個導熱模型組成,這個導熱模型是由
充足網格捕獲封裝重要熱特性的有限元或有限體積熱分析軟體來描述的。詳細模型建好後
需進行驗證。主要是在各種邊界條件下作熱仿真然後與真實試驗測得的器件結溫對比分析。
在DELPHI 工程中提出了兩種測量器件結溫的實驗方法:DCP法(the Double Cold Plate)
和SDJI法(the Submerged Double Jet Impingement)。
第三步是通過第二步中已驗證有效的詳細熱模型提取簡化熱模型。提取熱阻網絡簡化模型的方法主要是將詳細模型的表面劃分成若干部分,每部分用一個結點代表。各部分表面結點與晶片結點之間用熱阻互連,有時各表面結點之間也存在熱阻互連。使用考慮所有邊界條件的詳細熱模型,可以計算器件結溫和通過各個面和或結點的熱流量。進而可以計算簡化模型中各個熱阻的具體數值。
第四步是在與詳細熱模型完全相同的系統環境和邊界條件下用熱分析軟體對簡化熱模型進行熱仿真及誤差分析。最嚴格的做法是針對簡化模型在38組或更多組邊界條件下分別進行熱分析。然後對比詳細模型在相應邊界條件下的熱分析參數結果(主要參數包括器件結溫和熱流),如果各項誤差均在一定的工程允許範圍內,就驗證了簡化熱模型的準確性和有效性。當然在某些情況下有可能出現對同一個封裝的多個熱阻網絡模型都可用有效,這時稱這些模型等效。
遺憾的是目前這些工作都被歐美大公司壟斷,並且由於其商業性質,這項技術的實質內容一直作為商業機密。目前的實際情況是國外電子廠商和軟體公司對多熱阻模型的研究比較先進,國內尚處於起步階段。國內廠商常常不得不購買國外軟體公司的多熱阻數據。其中,元件的多熱阻數據,不僅代價昂貴，並且購買的數據針對性極強——封裝信息(包括尺寸和材料)稍有改變熱阻值便不適用。而當今電子元件廠商眾多,晶片產品豐富多樣,新的封裝層出不窮,材料應用科學日新月異。因此,使用購買的多熱阻數據常常顯得不夠靈活。
從以上的總結可以看出,對於大功率強光探照燈來說,目前使用最廣泛的仍然是單熱阻模型。並且目前的熱阻模型多為基於統計的思想。這些模型普遍的不足之處在於沒有從物理的機制出發來推導大功率強光探照燈的熱阻模型,無法在設計早期進行熱阻的預估。
所以說，科技是無止境的，我們還需繼續努力。只有不斷的探索，不斷的試驗，才有不斷的進步。