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1、1,热设计与热分析技术,（第3讲）,讲解人：张 栋,2006年3月29日,2,内 容 功率器件热特性 器件简化热模型 PCB热分析软件浅析,3,一 功率器件热特性,典型封装形式 散热参数 散热及降低热阻的有效措施 散热影响因素,4,芯片封装发展,5,（1）典型封装形式,常见功率器件功率二极管半导体功率开关器件双极型功率晶体管功率MOSFETIGBT功率集成电路(PIC)集成功率模块,功率器件典型封装形式TODIPSOTBGA冰球形封装,典型封装实物图,6,TO系列,DIP,SOT,BGA,冰球形封装,7,（2）散热参数,结到壳的热阻Rjc结到板的热阻Rjb壳到散热器的热阻Rch结到环境的热阻R
2、ja壳到环境的热阻Rca耗散功率P,工作结温范围Tj储藏温度范围Tstg壳的工作温度范围结到壳的暂态热阻分析函数（图表曲线）,8,Phase Control Thyristor（5STP 21F1400）ABB,9,（3）散热及降低热阻的有效措施,内部：,增加管芯尺寸 增加铜材制成的电源线和接地线的面积（对于多层陶瓷组件而言）降低塑料的厚度 使用铜引脚框架增加引脚框的面积在封装壳体内部加金属散热板,10,11,Flip Chip Ceramic Ball Grid Array(Flip chip-CBGA)Exposed die,optional heat spreader,No wire B
3、ondsCeramic Substrate(K15 W/m/K)Interconnect at die bottom;Interconnect junction is attached to solder bumps,which in turn connects signal tracesModel is exactly the same as PBGA,12,Tape Ball Grid Array(TBGA)High Conducting Top(copper)Tape Substrate(thinner than PBGA)Die is 1/3 of PackageInterconnec
4、t is at the die bottom,and so is the power,13,ABGA(Advanced BGA),14,外部：,风扇 散热器 冷板 引脚,15,Cold-Plate cooled IGBTs,IGBT：绝缘栅双极型晶体管,16,（4）散热性能的影响因素,器件内部封装结构封装材料耗散功率,器件外部有无散热器散热器材料和形状环境温度器件周围热源远近大小,17,二 器件简化热模型,简 述 热阻和芯片封装的热流路径 常见的稳态简化热模型,18,简 述,简化热模型，是用一些热阻网络代替封装的热流路径，进而可以通过解析法或有限元（FEM）和计算流体力学（CFD）软件在计算机
5、中模拟预测芯片温度和印刷电路板的高温区域。简化热模型分为稳态模型和暂态模型两类。本课题研究的是稳态模型。,19,在封装级、板级和系统级中关键电子部件温度预测的准确性受到严重阻碍，这主要是由于缺乏描述这些部件热特性的可靠的、标准的输入数据造成的。为了使元器件生产商能够以一致有效的实验技术和建模方法为终端客户提供其器件的简化热模型，在1993年来自欧盟成员国的六家知名公司和机构发起DELPHI工程（DEvelopment of Libraries of PHysical models for an Integrated design environment）。该工程历时三年，研究成果中包括一些单芯
6、片封装的详细和简化模型建模方法，两种测量芯片结温的实验方法等。这些方法近年来得到广泛的应用和发展。其后，欧洲又继续开展了SEED工程、THERMINIC工程和PROFIT工程，对DELPHI工程的许多研究成果进行了深化和扩展。,简 述,20,简化热模型简洁明快，易于被有限元和计算流体力学软件包所采用，进而大大缩短数值迭代计算时间，节省计算机内存，加快系统热分析时间，帮助电子工程师在设计阶段早期发现问题，从而缩短研发周期，节省费用，提高产品质量可靠性。所以，现在简化热模型受到电子设备生产商、元器件生产厂商、热分析热设计软件公司和相关研究机构越来越多的关注，各界也在为早日制定标准而努力。,简 述,
7、21,热阻和芯片封装的热流路径,22,热量从芯片封装内部散发到周围环境的热流路径主要有两条：（图中箭头代表封装内外的热流路径）第一条是：由芯片（die）到封装壳体再到周围环境中。第二条是：由芯片到封装体到金属引脚再到PCB最后到周 围环境。,芯片封装热流路径,23,常见的稳态简化热模型,单热阻模型 两热阻模型 星形模型 DELPHI模型,24,单热阻模型,25,两热阻模型,26,星形网络模型,其中,27,DELPHI简化模型在星形网络模型的基础上添加了部分表面结点之间的热阻并进一步优化，同时提出“边界条件独立”的概念，即满足该条件的模型可以在任何特定应用环境下使用，也可以由元器件生产商在缺少器
8、件实际应用环境的情况下提供DELPHI简化模型。为了更全面的模拟器件在真实环境下的热流状况，DELPHI工程中提出了38组边界条件。每一组边界条件是在器件封装的顶面、底面、侧面和引脚等部分上的传热系数的组合。,DELPHI简化模型,28,DELPHI简化模型的建立大致分为四个步骤：,第一步：收集封装的详细参数，如芯片、基底等封装内部组成的物理尺寸；引脚或焊料微球的尺寸及分布特点；芯片功耗；封装内各组成部分材料的导热率等等。,第二步：利用第一步中的参数以及封装特点通过专业热分析热设计软件对器件建立详细的热模型。以单芯片封装为例，一个详细模型由一个导热模型组成，这个导热模型是由充足网格捕获封装重要
9、热特性的有限元或有限体积热分析软件来描述的。该模型一般包含几千个计算节点。常用的软件有Flotherm、Icepak、Ansys等。,29,DELPHI简化模型的建立大致分为四个步骤：,第三步：通过第二步中已验证有效的详细热模型提取简化热模型。提取热阻网络简化模型的方法主要是将详细模型的表面划分成若干部分，每部分用一个结点代表。各部分表面结点与芯片结点之间用热阻互连，有时各表面结点之间也存在热阻互连。使用考虑所有边界条件的详细热模型，可以计算器件结温和通过各个面和/或结点的热流量。进而可以计算简化模型中各个热阻的具体数值。,第四步：在与详细热模型完全相同的系统环境和边界条件下用热分析软件对简化
10、热模型进行热仿真及误差分析。最严格的做法是针对简化模型在38组或更多组边界条件下分别进行热分析。然后对比详细模型在相应边界条件下的热分析参数结果（主要参数包括器件结温和热流），如果各项误差均在一定的工程允许范围内，就验证了简化热模型的准确性和有效性。,30,DELPHI简化模型示例,BGA封装详细模型,FC-PBGA封装DELPHI简化模型,31,三 PCB热分析软件浅析,概 述 PCB结构及热模型 商业化热分析软件简介 板级热分析软件应用简介 考虑器件级散热特性的热分析 软件开发简介,32,概 述,背景,意义,为电子工程师在电路设计时提供更合理的热布局方案为电子设备进行可靠性预计和评估提供重
11、要的热参数,33,PCB结构及热模型简介,PCB是英文(Printed Circuit Board)印制线路板的简称。PCB几乎我们能见到的电子设备都离不开它，小到电子手表、计算器、通用电脑，大到计算机、通信电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，它们之间电气互连都要用到PCB。PCB提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。同时为自动锡焊提供阻焊图形；为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。,34,35,正 面,36,反 面,37,PCB的基板是由纸基（常用于单面）、玻璃布基（
12、常用于双面及多层），或环氧树脂等绝缘材料与导体（常见的是铜）相组合层压固化而成。PCB的基本功能是搭载电子元器件并实现其间的电气连接。因此，PCB应能承受搭载元器件时的热量和温升以及器件重量的强度。PCB上需要搭载那些类型的电子元器件取决于电路设计，PCB表面安装的各种元器件安装方式有两种：一种是“插装式”，特点是器件的引脚穿过PCB上的通孔在板另一侧的焊盘上焊接固定。另一种是“表面贴装式”，特点是器件和其引脚安装焊接在PCB同侧表面，这种方式可以使电子装置实现体积小、重量轻、集成密度大的优点，是现在的主流，但同时也对散热问题提出了更高的要求。,38,PCB上的插装式器件,PCB上的表贴式器件
13、,39,40,电镀通孔多层PCB断面结构,41,金属芯多层PCB断面结构,42,金属衬底多层PCB断面结构,积层式多层PCB结构,43,通常，PCB热模型有两种：详细模型和简化模型。热分析软件的普遍做法是：根据铜线厚度和铜的覆盖率（铜线面积占PCB板面积的百分比），生成一种具有各向异性的均一传导率的材料来模拟PCB板。其实质也就是求此均一传导率。详细模型先把PCB各个层分别来单独分析，然后再合成一种均匀的各项异性的导热材质，复杂但精确度高。其计算公式如下：简化模型不考虑各层具体情况，直接把整块PCB看作一个整体，看成一种均匀的各向异性的导热材质，其导热系数经验取值是0.3W/(mK)。,PCB
14、热模型,44,商业化热分析软件简介,45,板级热分析软件应用简介,热分析数值解法 Betasoft-Board简介,46,热分析的数学方法分为两大类：第一类是解析法，它是通过对微分方程组及其边界条件求解求出方程组的精确解析解，虽然已有较完整的理论，但对于多维问题经常无法计算。第二类是数值计算方法，由于它能通过计算机求解各种复杂情况的物理模型且求解速度快，因此成为现在热分析数学方法的主流。,47,采用网格划分技术，将求解区域离散成各个微元体根据守恒定律，针对每个微元体建立微积分方程将微积分方程在时间（仅针对瞬态分析）和空间上 进行离散求解方程，得到温度场分布,热分析数值解法的流程,48,有限差分
15、法 FDM(Finite Difference Method)有限元法 FEM(Finite Element Method)边界元法 BEM(Boundary Element Method)有限分析法 FAM(Finite Analysis Method)有限体积法 FVM(Finite Volume Method),在传热学领域中，采用的数值计算方法主要有：,49,有限差分法：数学基础是用差商去代替导数。有限差分法能对网格节点上的函数值进行求解，其方法简便、灵活，且离散格式丰富多样，在收敛性、稳定性等理论研究方面也比较完善，具有算法简单，求解速度快的特点。但在计算中要求网格节点的分布比较规则
16、，不能适应复杂的几何形状。另外，它不能求许多实际物理问题中出现的弱解。,有限元法：数学基础是广义变分原理。有限元法能对复杂的几何形状进行求解，它允许对某些区域（温度梯度大，最高温度处等）加密网格，且计算精度高，但缺点是有时需要求解大型的线性方程组，计算上没有差分方法那样灵活方便，会占用大量的计算机资源和处理时间,50,有限体积法（又称控制容积法）：有限体积法可看成是积分形式的有限差分法。有限体积法的基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制网格，确定物理量的位置（一般在格心或节点），并在该位置周围建立一个控制体(Control Volume)；针对每个控制体，建立积分方程；然后对积分方程进
17、行离散化处理；最后联立方程进行迭代求解，得到物理量的值。简言之，子区域法加离散，就是有限体积法的基本方法。有限体积法的特点是积分守恒，它从控制体的积分形式出发，对求解区域的剖分同有限元法一样具有单元特征，能适应复杂的求解区域，离散方法具有差分方法的灵活性，间断解的适应性。可以看出，有限体积法在一定程度上吸收了有限差分法与有限元法的长处，克服了它们的一些缺点。因此，目前大多数热分析软件采用的都是有限体积法。,51,网格划分技术是热分析软件中的一项通用关键技术。在采用数值计算方法时，首先要对求解区域进行网格划分，而网格形式的选择直接影响热分析的精度。网格分为结构化网格和非结构化网格两种。如果各网格
18、点之间的排列属于有序排列，则称为结构化网格，如图1所示；否则，称为非结构化网格，如图2所示。,网格划分,52,目前，结构化网格的生成技术比较成熟，有对接网格方法和重叠网格方法等。网格的生成和安排是有序的和按一定结构的，适合于求解区域有几何规律和求解模型比较均衡的问题。非结构化网格舍去了网格节点的结构性限制，节点和单元的分布可以是无序的，能较好的处理复杂几何结构问题。在生成过程中可以采用一定准则进行优化判定，因而可以生成高质量的网格，且容易控制网格的大小和节点的密度，易于构造自适应网格。但非结构化网格也有其缺点，因为必须记忆单元节点之间的关联信息，数据结构较大，需要较大的内存，且在计算时需要更多
19、的CPU时间；而且，非结构化网格求解温度场的方法仍有待于进一步完善。,53,在三维情况下，原则上讲，非结构化网格可以具有任意结构，但为了实现和计算上的方便，一般仅采用四面体。有限差分法采用的是结构化网格，只能适应规则几何形状；在有限元法和有限体积法中，这两种网格均可采用，能对复杂的几何模型进行求解。,结构化网格和非结构化网格所采取的几何体如下表所示：,54,BETAsoft-Board简介,55,CAD Interfaces,CAD Interfaces are provided to bring in the design from most ECAD placement files,whi
20、ch eliminate the users effort of preparing the input to BETAsoft-Board.,Component PartnameRef.DesignatorLengthWidth,Number of PinsComponent Orientation Location on BoardBoard Size,Also interfaces to reliability software,56,Computer/Instrumentation Board,A regular computer/Instrumentation board with
21、2 high power packages exceeding temperature limitThe hot component in the lower right hand corneris 116C.Since the rest of the board is not hot,spreadingheat over the board may solve the problem.,Use a thick ground plane.It changesthe metal volume fraction from 2%to 15%at Board-Property-Metal Volume
22、 Fractionmenu.The heat spreads over the entire board andcools the component to 101C without any other modifications.,After,Before,BETAsoft-Board,57,A Network board with many hot components.A daughter board is alsoattached at the lower portion of the board.Air comes from the right.The entire board is
23、 hot,spreading the heat over the board will not be useful.The components on the upper side are too hot at 148C.Air velocity is already 130 ft/min and cannot be higher.,Add heat sinks to the components on theupper left side of the board to reduce heat.This reduces the maximum temperature from 148C to
24、 98C.The components at the upper right side of theboard are facing incoming cold air that they are not too hot.So heat sinks are not necessary.This also allows the heat sink at the upper left to be more effective.,Network Board,Before,After,58,Space/Avionic Board,A satellite board has no air convect
25、ion.All heat is conducted away from the wedgelocks on both left and right sides.Radiation cooling also appears.A hot zone occurs.A thick ground plane over the entire board is not desirable because it increases weight significantly.,A metal strip is added in the upper zonefrom left to right using the
26、 Local Propertycommand in the board menu.The heat in the hot area spreads out to thewedge locks effectively.The maximum temperature is reduced from73C to 55C.,Before,After,59,Betasoft-Board热分析实例简介,60,设置电路板属性,61,添加器件到工作库,62,如果器件是主器件库中没有的，可以通过两种方式添加新器件。,一种方式是参数方式：,63,另一种方式是形状方式：,64,在电路板上摆放元器件,65,设置环境条
27、件,66,热分析计算：通过AnalysisRun来进行分析，如果在分析过程中，迭代终止，一般都会给出提示信息，例如重新设定某些边界条件。注意：计算完之后，需要通过Analysisload来重载计算结果。,后处理：,67,按照色块颜色显示器件功耗,68,显示被细化输出处理的器件,69,器件温度分布,70,器件过温,71,PCB温度分布,72,PCB温度梯度,73,热分析结果详细报表文件,通过菜单View-Numerical output打开热分析结果的详细报表。因为用于浏览输出的Note Pad容量有限，较大的数据文件必须在BETAsoft之外浏览，输出包含在工作目录中以扩展名.OUT的文件中。
28、此文件以ASCII格式列出下列条目：运行条件，器件及温度的详细信息，板的IC结点温度。沿电路板垂直中线的温度也列出作为参考。,74,考虑器件级散热特性的热分析 软件开发简介,实施方案 软件流程及适用范围 软件数学模型 案例应用及误差分析,75,实施方案,76,热分析软件流程图,热分析软件适用范围,本软件可以对规则的矩形PCB进行考虑导热和对流换热的热分析，建立的模型为二维模型。,77,热分析软件的数学模型,PCB结构简化 导热微分方程及其边界条件 对流换热方程 简化热模型添加,从以下四方面介绍：,78,PCB结构简化,将电路板简化为一块均匀各向异性的导热材质，器件简化为电路板平面上的一个热源点
29、，以离器件几何中心最近的网格结点作为热源点在电路板上的位置。网格划采用大小相等的正方形。,79,导热微分方程及其边界条件,三维非稳态导热微分方程：,当考虑二维稳态具有内热源且导热系数为常数的情况时上式简化为：,(1),(2),80,在右图中点（i，j）处(2)式离散化为：,区域网格划分示意图,当把划定区域内全部节点所建立的有限差分方程都列出时，可以写成矩阵方程形式：,(3),81,导热问题的常见边界条件可归纳为三类：,规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件;规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件;规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及 周围流体的温度，称为第三类边界条件。,本软件
30、边界条件为第二类边界条件和第三类边界条件的组合。,82,导热微分方程边界条件的离散化：,用热平衡方法导出三类典型边界节点的离散方程，然后针对 的三种不同情况使导得的离散方程进一步具体化。其中 代表边界上已知的热流密度值。,边界点示意图,83,位于平直边界上的节点：,外部角点：,内部角点：,84,85,强迫对流时,自然对流时,当考虑对流情况时，对流换热系数的确定如下：,对流换热方程,86,分三种情况：,(3)如果器件参数中提供了Rjc和Rjb，则热源点的温度为该器件结温，再通过两热阻模型计算公式求解器件壳温。具体计算式为：,(1)如果器件参数中没有提供结到壳的热阻值Rjc和结到 板的热阻Rjb，
31、则将热源点的温度近似作为器件的壳温。,(2)如果器件参数中只提供了Rjc，则热源点的温度为该器件结温，再通过单热阻模型计算公式求解器件壳温。具体计算式为：,简化热模型添加,87,Gauss-Seidel迭代法,代数方程组解法分为两大类：直接解法和迭代法。直接解法是指通过有限次运算获得代数方程精确解的方法，象矩阵求逆、高斯消元法等均属于此种方法。这一方法的缺点是计算所需的计算机内存较大，当代数方程的数目较多时使用不便。另一类方法称迭代法。在迭代法中先对要计算的场做出假设（设定初场），在迭代计算过程中不断予以改进，直到计算前的假定值与计算后的结果相差小于允许值为止，称为迭代计算已经收敛。,Gaus
32、s-Seidel迭代法格式,结束迭代的条件,88,案例应用及误差分析,案例简介,89,数字计数显示电路板,90,案例PCB在热分析软件中的模型,91,表1 数字计数显示电路热测量、热分析结果,环境温度18.25 自然对流,92,15.25%,93,改变部分参数的热分析试验结果,为了更清晰的确定对热分析结果影响最大的参数，我们进行了以下三组试验：试验一 改变网格数量，其他条件不变。试验二 改变对流换热系数，其他条件不变。试验三 改变电路板导热系数，其他条件不变。,（详细数据见论文表5.2至表5.4）,三组试验得到的热分析器件壳温误差依次为：22.6%，20.62%，18.29%。,94,误差分析
33、,热分析软件没有考虑器件表面的热辐射作用 网格精度不够,通过分析对比试验得到影响热分析精度的主要因素为：,对流换热系数 网格数量 电路板导热系数,从表1可见，所有器件的热分析温度值均比器件的实测温度值偏高。造成此结果的原因主要有：,95,从表1可见，各个器件热分析温度的误差范围为1.18%26.92%，偏差较大，分布不均匀。造成 此现象的原因主要有：,器件实际功耗与手册上查得的功耗有一定偏差；PCB热建模时简化为均匀的各向异性的导热物质。而实际上，由于铜线的分布不均，由FR4和铜组 合而成的PCB导热系数并不均匀。,误差分析,96,下一步工作,为了进一步提高热分析软件的分析精度，建议后续工作应着重放在以下三方面：,考虑热辐射因素；在网格划分上使用更复杂的方法；考虑三维情况并将更复杂的器件简化热 模型增加到PCB热分析软件中。,97,谢 谢！,98,微元平行六面体的导热分析,导入微元体的总热流量+微元体内热源的生成热=导出微元体的总热流量+微元体热力学能（即内能）的增量,99,导入微元体的热流量,导出微元体的热流量,微元体热力学能的增量,微元体内热源的生成热,
