FloTHERM仿真技术在提取集成电路封装双热阻模型中的应用

余昭杰+于迪+任艳+周军连+许实清+杨云

【摘 要】集成电路封装双热阻模型（RJC和RJB）可以用于电子产品散热分析时计算集成电路结温，然而基于实验测试来获取热阻模型需要花费大量经费和时间，因此可以借助仿真技术获取热阻参数。本文首先介绍仿真技术提取集成电路封装双热阻模型的流程，最后通过搭建符合JEDEC测试标准的虚拟热阻测试环境，对一款PBGA封装的集成电路进行双热阻模型提取。

【关键词】双热阻模型；FloTHERM；仿真技术

0 概述

在进行电子产品散热分析时，集成电路封装热模型可以有三种建模方式，分别是块模型、热阻模型和详细模型。目前国际主流集成电路厂商产品手册中比较常见的热阻模型是双热阻模型，如图1所示。双热阻模型由三个结点TJ、TC和TB以及结到壳的热阻RJC和结到板的热阻RJB组成。其中，TJ表示器件的结温，通常用芯片的平均温度代替，TC 表示芯片封装外壳外表面温度，TB 表示芯片封装外部引脚与电路板相接处或其附近区域的温度[1，3]。

1 通过仿真技术获取双热阻模型的流程

首先，通过集成电路厂商或者其产品手册，获得集成电路的详细参数，如裸芯片、芯片载体等封装内部结构的物理尺寸，引脚或焊球的尺寸及分布特点，芯片功耗，封装内各结构的导热率等。

其次，利用第一步中获得的参数以及封装特点通过专业热分析软件对集成电路封装建立详细的模型。详细模型包括封装中的大多数细节，以Flotherm软件中PBGA封装详细模型为例，包括焊球、芯片、模注树脂、基板、铜布线等。

最后，通过第二步中已验证有效的详细热模型提取双热阻模型。提取双热阻模型的方法主要是将详细模型的表面划分为上表面和下表面，分别用一个结点代表。上表面和下表面结点与芯片结点之间用热阻互连。使用考虑所有边界条件的详细热模型，可以计算结温、表面温度以及通过上表面和下表面热流量，进而可以计算双热阻模型中各个热阻的具体数值。

2 通过仿真技术提取PBGA封装双热阻模型案例

2.1 PBGA封装建模

2.1.1 芯片载体建模

通过FLoEDA Bridge模块，导入芯片载体导电层顶层和底层图片，并按照芯片载体几何尺寸和材料属性，设置芯片载体模型[2]，导电层如图2。

2.1.2 焊球建模

按照图3的方法，将球形焊球简化为正方形焊球，并最终得到焊球和芯片载体模型如图4所示。

2.1.3 裸芯片建模

裸芯片由有源区、衬底和导电胶构成，如图5所示。有源区产生热功耗，采用Collapsed Source进行建模，并将热源指向衬底，衬底硅材料热导率受温度影响较大，所以需要将热导率设置为随温度变化，加入裸芯片的模型如图6所示。

2.1.4 键合线和外壳建模

PBGA芯片中键合线形状是弯曲的，需要根据键合线的实际长度进行简化，使其与坐标轴平行，如图7所示，而外壳则直接使用Cuboid模型建模。最终模型如图8所示。

3 创建测试环境

按照JEDEC标准[6]，创建RJC和RJB虚拟测试环境，可以从FloTHERM Pack网站自动生成，也可以手动创建，结果如图9所示。

4 设置温度监控点并进行仿真

按照JEDEC标准[6]，计算RJC时需要在PBGA封装外壳外表面中间位置设置温度监控点[4-5]，获得的残差曲线和监控点温度如图10所示。

按照JEDEC标准[6]，计算RJB时需要在测试板顶层导电层距离PBGA封装1mm处设置温度监控点[4-5]，获得的残差曲线和监控点温度如图11所示。

查看监控点温度（即PBGA封装外壳外表面中间位置温度）和裸芯片温度，如图12所示，因此：

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

查看测试板监控点温度和裸芯片温度，如图13所示。因此：

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

5 结论

集成电路的高热流密度、电子产品的小型化发展方向和使用环境的多样化，使得电子产品散热面临着严峻挑战，而电子产品散热分析亟需获取集成电路热阻模型。由于通过测量获取集成电路封装热阻模型不仅成本高，而且测试周期也很很长，因此基于FloTHERM等热仿真技术提取热阻模型非常具有实用价值。本文介绍通过仿真技术提取集成电路封装双热阻模型，并搭建符合JEDEC测试标准的虚拟热阻测试环境，对一款PBGA封装的集成电路进行双热阻模型提取，为热设计工程师、电路设计工程师提供一种参考。

【参考文献】

[1]张栋，付桂翠.电子封装的简化热模型研究[J].电子器件，2006，29（3）：100-103.

[2]李波.FloTHERM软件基础与应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[3]何成.典型封装芯片的热阻网络模型研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[4]钮冬科，金晓怡，张向伟，等.基于Flotherm的电子电路热仿真分析与研究[J]. 现代电子技术，2015，38（6）：334-337.

[5]季双.微电子芯片的热仿真分析[D].北京：北京交通大学，2009.

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

[责任编辑：王楠]