FloTHERM仿真技術在提取集成電路封裝雙熱阻模型中的應用

余昭杰+于迪+任艷+周軍連+許實清+楊云

【摘 要】集成電路封裝雙熱阻模型（RJC和RJB）可以用于電子產品散熱分析時計算集成電路結溫，然而基于實驗測試來獲取熱阻模型需要花費大量經費和時間，因此可以借助仿真技術獲取熱阻參數。本文首先介紹仿真技術提取集成電路封裝雙熱阻模型的流程，最后通過搭建符合JEDEC測試標準的虛擬熱阻測試環境，對一款PBGA封裝的集成電路進行雙熱阻模型提取。

【關鍵詞】雙熱阻模型；FloTHERM；仿真技術

0 概述

在進行電子產品散熱分析時，集成電路封裝熱模型可以有三種建模方式，分別是塊模型、熱阻模型和詳細模型。目前國際主流集成電路廠商產品手冊中比較常見的熱阻模型是雙熱阻模型，如圖1所示。雙熱阻模型由三個結點TJ、TC和TB以及結到殼的熱阻RJC和結到板的熱阻RJB組成。其中，TJ表示器件的結溫，通常用芯片的平均溫度代替，TC 表示芯片封裝外殼外表面溫度，TB 表示芯片封裝外部引腳與電路板相接處或其附近區域的溫度[1，3]。

1 通過仿真技術獲取雙熱阻模型的流程

首先，通過集成電路廠商或者其產品手冊，獲得集成電路的詳細參數，如裸芯片、芯片載體等封裝內部結構的物理尺寸，引腳或焊球的尺寸及分布特點，芯片功耗，封裝內各結構的導熱率等。

其次，利用第一步中獲得的參數以及封裝特點通過專業熱分析軟件對集成電路封裝建立詳細的模型。詳細模型包括封裝中的大多數細節，以Flotherm軟件中PBGA封裝詳細模型為例，包括焊球、芯片、模注樹脂、基板、銅布線等。

最后，通過第二步中已驗證有效的詳細熱模型提取雙熱阻模型。提取雙熱阻模型的方法主要是將詳細模型的表面劃分為上表面和下表面，分別用一個結點代表。上表面和下表面結點與芯片結點之間用熱阻互連。使用考慮所有邊界條件的詳細熱模型，可以計算結溫、表面溫度以及通過上表面和下表面熱流量，進而可以計算雙熱阻模型中各個熱阻的具體數值。

2 通過仿真技術提取PBGA封裝雙熱阻模型案例

2.1 PBGA封裝建模

2.1.1 芯片載體建模

通過FLoEDA Bridge模塊，導入芯片載體導電層頂層和底層圖片，并按照芯片載體幾何尺寸和材料屬性，設置芯片載體模型[2]，導電層如圖2。

2.1.2 焊球建模

按照圖3的方法，將球形焊球簡化為正方形焊球，并最終得到焊球和芯片載體模型如圖4所示。

2.1.3 裸芯片建模

裸芯片由有源區、襯底和導電膠構成，如圖5所示。有源區產生熱功耗，采用Collapsed Source進行建模，并將熱源指向襯底，襯底硅材料熱導率受溫度影響較大，所以需要將熱導率設置為隨溫度變化，加入裸芯片的模型如圖6所示。

2.1.4 鍵合線和外殼建模

PBGA芯片中鍵合線形狀是彎曲的，需要根據鍵合線的實際長度進行簡化，使其與坐標軸平行，如圖7所示，而外殼則直接使用Cuboid模型建模。最終模型如圖8所示。

3 創建測試環境

按照JEDEC標準[6]，創建RJC和RJB虛擬測試環境，可以從FloTHERM Pack網站自動生成，也可以手動創建，結果如圖9所示。

4 設置溫度監控點并進行仿真

按照JEDEC標準[6]，計算RJC時需要在PBGA封裝外殼外表面中間位置設置溫度監控點[4-5]，獲得的殘差曲線和監控點溫度如圖10所示。

按照JEDEC標準[6]，計算RJB時需要在測試板頂層導電層距離PBGA封裝1mm處設置溫度監控點[4-5]，獲得的殘差曲線和監控點溫度如圖11所示。

查看監控點溫度（即PBGA封裝外殼外表面中間位置溫度）和裸芯片溫度，如圖12所示，因此：

RJC=（TJ-TC）/P=（78.32℃-73.54℃）/1W=4.78℃/W。

查看測試板監控點溫度和裸芯片溫度，如圖13所示。因此：

RJB=（TJ-TB）/P=（71.31℃-28.90℃）/1W=42.41℃/W。

5 結論

集成電路的高熱流密度、電子產品的小型化發展方向和使用環境的多樣化，使得電子產品散熱面臨著嚴峻挑戰，而電子產品散熱分析亟需獲取集成電路熱阻模型。由于通過測量獲取集成電路封裝熱阻模型不僅成本高，而且測試周期也很很長，因此基于FloTHERM等熱仿真技術提取熱阻模型非常具有實用價值。本文介紹通過仿真技術提取集成電路封裝雙熱阻模型，并搭建符合JEDEC測試標準的虛擬熱阻測試環境，對一款PBGA封裝的集成電路進行雙熱阻模型提取，為熱設計工程師、電路設計工程師提供一種參考。

【參考文獻】

[1]張棟，付桂翠.電子封裝的簡化熱模型研究[J].電子器件，2006，29（3）：100-103.

[2]李波.FloTHERM軟件基礎與應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[3]何成.典型封裝芯片的熱阻網絡模型研究[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[4]鈕冬科，金曉怡，張向偉，等.基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究[J]. 現代電子技術，2015，38（6）：334-337.

[5]季雙.微電子芯片的熱仿真分析[D].北京：北京交通大學，2009.

[6]EIA/JESD51-2， Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions-Natural Convection（Still Air）.Arlington， VA， Electronic Industries Association，1997[Z].

[責任編輯：王楠]