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測試與測量  

電子組件的電熱建模與可靠性預測

上網時間: 2004年09月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Electro-thermal modelling  electronic assembly  EPSILON Ingenierie  electro-thermal simulation  The REBECA-3D Software 

由於電子系統體積的小型化和功率的增大,確保電子元件和電子組件的功能並提高其性能和可靠性已變得越來越關鍵。本文介紹了EPSILON Ingenierie公司開發的幾種功率電子元件和微電子元件電熱模擬方法,以及作為熱傳導解決方案的REBECA-3D軟體的主要特性。

電子技術的發展使得整合度越來越高。如果1960年電路中只有一個電晶體的話,那麼現在每個積體電路矽晶片中至少有50萬個電晶體。雖然矽晶電晶體實現技術的進步使得電晶體的功耗不斷降低,但矽晶片上單位面積的功耗卻仍在增加。電晶體數量的迅速增加無法透過降低熱量消耗來補償。事實上,元件遇到的熱問題不是與功率相關而是與溫度相關。

圖1:REBECA-3D的應用領域。

不過,熱問題卻是功率密度的一個直接函數。在某些電腦中,單位面積矽晶片消耗的功率約為500kW/m2,這完全可與宇宙飛船返回大氣層時前部所承受的氣流密度相較。在元件的壽命期間,失效原因主要有兩個:1. 設計因素與/或內部構成;2. 元件所處環境的影響。氣候約束主要源於溫度、濕度、氣壓和太陽輻射。

所有電子元件都對溫度感應:超出極限溫度時它們的性能將變得很差,如果溫度大幅超出工作溫度範圍,元件可能會損壞。工作溫度是由製造商規定的,一般情況下為:


* 產業級:0∼70℃;


* 民用級:-20∼+85℃;


* 軍用級:-55∼125℃。

製造商通常都會指出最大工作溫度。這個溫度的影響體現在以下方面:圖2:發熱-機械分析實例。(萸僻艘湮芞)

(a) 電性能:該溫度可能是一個極限值,超出這個溫度將無法保證正常工作。參數漂移將導致不同程度的性能降低,直至失效;(b) 封裝會受到溫度劇烈變化的影響。在臨界溫度,元件的實體結構將發生狀態改變。溫度變化會加速材料約束的蠕變和松弛,並可能導致失效;3. 膨脹係數不同的多種材料相互聯繫的熱循環會引起非常顯著的應力,有可能導致瞬間斷裂,或者引發長期而言將導致斷裂的疲勞。

因此,冷卻電子元件的目的是為了讓每個元件處在額定的工作溫度範圍之內。

這就是EPSILON Ingenierie公司使用電子元件熱模擬軟體REBECA-3D時,所面臨的熱模擬挑戰。

REBECA-3D軟體

REBECA-3D(三維應用可靠邊界元傳導分析軟體)對由傳導交換所驅動的熱傳遞進行模擬。由於採用了邊界元方法(Boundary Element Method,BEM),REBECA-3D既是一個設計工具,又是一個建模工具。它比經典方法給出了更為精確和可靠的結果。

下面將介紹這個三維軟體的獨創性,以顯示其重要性。在電子元件領域,精確了解熱性能具有關鍵意義。例如,它對更好地預測元件在其所處環境中的性能和可靠性。

研究熱性能必須使用建模工具。強大和精確的參數分析工具顯然需要調整幾何、電子和熱參數。REBECA-3D在各種數值方法中選擇了邊界元法,因為它允許顯著降低模型的幾何複雜度,這種方法也適合透過很少的運算來進行感應度研究。

1. REBECA-3D的應用領域

REBECA-3D的主要應用領域包括:


(a) MEMS/MST;HSPACE=12 ALT="圖3 :熱阻表徵實例。">


(b) 微觀三維結構(矽和砷化鎵);


(c) 封裝;


(d) MMIC、HEMT元件;


(e) MCM (多晶片模組、覆晶晶片……);


(f) 合成元件(薄膜/厚膜/MIC……);


(g) 功率電子模組;


(h) 光電元件;

2. REBECA-3D的獨創性

REBECA-3D的獨創性與其採用的數值方法緊密相關。REBECA-3D設立在邊界元法的基礎上,這種數值方法的採用直接帶來了大量的優勢和全新的可能。圖4:熱阻Rja表徵實例。

正如Sevilla大學的Dominguez教授所說:“邊界元法已成為替代有限元法(以及有限差分法等)的一種功能強大的方法,尤其是在需要更高精密度的時候。”此外,“在許多工程應用中,有限元法已被證明是不足夠的或低效率的。”而邊界元法則是效率和速度的雙重結果。

“在很多情況下,傳統的數值方法使用起來過於麻煩,因此很難將它們整合在電腦輔助工程設計系統中去。例如,有限元法仍然是一種相對較慢的設計方法,以至於許多工程師寧願選擇可靠性一般但非常快的近似方法。”相反,邊界元法只包括模型邊界的離散化處理,然後提供一種更快的問題建模方法。對於三維模型,它可以更為迅速地評估具體設計中的參數變化。在需要進行設計最佳化和熱性能表現的先進電子元件分析中,減少運算時間已成為一項優先考慮。

3. 降低維數

REBECA-3D在建模方面的第一個優勢是降低了維數:三維問題被降階為一組二維問題,只需進行表面結合即可。儘管傳導性能取決於溫度情況,也不需要進行內部幾何的網格劃分,不需要任何內部未知量和內部網格分割。因此,無需進行離散化處理就可將邊界溫度和流量運算出來。而且,REBECA-3D在降低問題維數的同時並沒有犧牲精密度和可靠性。

維數的降低為經典數值方法提供了新的可能性:

(a) 由於沒有任何內部結合,研究包括不同比例因子元(如,矽片厚度與元件長度之比)在內的一些問題也變得很容易。因此,不需要對體積進行精確的網格劃分。網格長度常常符合一個細小表面的幾何級數。

(b)圖5:光模組的溫度場。 由於沒有任何內部網格劃分,產生執行問題所需的數據變得很容易,因而簡化了模型。對於同一精確程度的結果,REBECA-3D所需網格數量的重要性常常比經典方法要低上一百倍。

4. 參數研究

REBECA-3D另一個有吸引力的優點是,它使得透過極少量運算而迅速方便地進行大量靈敏度研究變得更為可能。因此可以透過很少的運算來來進行參數研究。這一點對於設計階段和了解系統特別重要。因此,有可能可以根據不同參數對研究進展的影響在它們之間製作一個層次結構。透過結合高性能的數學技巧和一種基於對象概念的方法,REBECA-3D成為一種特別適合進行參數研究的工具。對邊界元模型的修改完全是本地的,網格劃分也可以非常迅速地進行修改。

由於REBECA-3D同時運算溫度和流量,其結果比使用其他數值方法更為精確。結果的精密度也透過使用傳統數值方法(F.E.M和F.D.M)進行的測試以及與實驗結果(液晶法、標準紅外熱像儀系統、專用實驗裝置)的比較得到了證明。上述優點帶來的其他結果是:(a) 減少了運算時間。前面所述各點的結果就是,與其他軟體(詳細技術內容參見文獻2和文獻3)相較,REBECA-3D節省了時間。(b) 容易與其他軟體合成。由於傳導是在邊界水準進行處理,因此很容易將REBECA-3D與其他熱軟體結合起來,以便研究關聯複合的熱問題。如包含多次反射的輻射、具有流體力學結構的對流等。圖6:數據圖表和X射線圖。

REBECA-3D的用途

REBECA-3D獨立地應用在許多領域,用來解決大量的傳導問題。在電子元件領域,從電晶體一級到PCB一級都可使用REBECA-3D。例如,可以用它來表徵PCB上的零組件固化後對封裝接點溫度的影響。相應的模型考慮了5個尺寸因子,如:矽晶片的厚度為幾個微米,PCB的長度為幾個厘米。

對於電子元件,REBECA-3D適用於以下多種目的:


(a) 工作和設計最佳化:包括電晶體、零組件和PCB;


(b) 熱性能特徵化;


(c) 數據手冊驗證:Rthja(與周圍環境相關)、Rthjc (與應用場合相關)、瞬態熱阻抗、標準JEDEC環境、故障測試(AATC、LLTC);


(d) 可靠性與性能改進:熱工作範圍距離;

上述各種目的可能應用在整個工作環境中都要考慮,包括:


(a) 電子:功率失效(電流、電壓等);


(b) 熱:傳導(矽晶、佈局、過孔)、對流等。

REBECA-3D的特性圖7:REBECA-3D熱模型。

REBECA-3D目前的商業版本(3.0版)允許使用非結構性表面網格分割來解決實際的熱傳導三維問題。REBECA-3D的主要特性如下:


* 友好的用戶介面減少了建模時間


* CAD幾何輸入


* 方便地定義材料性質


* 自動產生網格分割


* 電子材料資料庫


* 等價的材料屬性工具


* 穩態/瞬態應用


* 熱參數研究


* 電熱特性


* 對輻射和對流熱傳遞進行傳導建模圖8:工作曲線(V(t)、I(t))。


* 方便連接到其他軟體:


* 用於電-熱模擬的電子模組


* 用於複雜熱-流模型的流體模組


* 用於發熱-機械分析的機械模組


* 整合了熱電冷卻模組

REBECA-3D專門為電子工程師設計,是一個用來提高可靠性和確定電子組件設計電熱分析軟體,它設立在邊界元方法的基礎上,既是一個模擬工具又是一個設計工具。

研究和開發

EPSILON Ingenierie與FREESCALE、MBDA、THALES、LAAS、ALSTOM等公司合作,參與了各國與歐洲研究計畫,由此展開了對電子元件可靠性的高層次研究。包括:(a) 生產(製造),包括封裝製程(晶圓報告、鑄模注射)和PCB焊接;(b) 壽命(工作),包括熱工作循環產生的應力和變形、封裝最佳化與瞬態記錄定義、循環電熱機械學的實現、熱工作範圍、多層方法(自頂向下、自底向上)、報廢(失效)、失效前循環次數運算、疲勞定律的實現。圖9:溫度結果。

很多工作都需要開發新的技術途徑,並最終導致它們要麼被整合在REBECA-3D之內,要麼與REBECA-3D應用結合到了一起。

1. 發熱特性(Rjc、Rja、Zth)

REBECA-3D應用的第一個例子是確定或驗證數據手冊中Rjc和Rja這兩個熱阻以及瞬態熱阻抗Zth的數值。

封裝熱性能可採用REBECA-3D熱模型來進行估計,這個模型對傳導熱傳輸運算準確。封裝的所有詳細幾何特徵(包括接腳框架、接腳、晶圓、附屬晶圓、壓模、導線等)都可與材料屬性一起進行考慮。REBECA-3D自動顯示溫度場(和結點溫度)以及與環境測試(JEDEC環境)相對應的邊界條件。

熱阻Rja也可透過用REBECA-3D軟體模擬PCB上所安裝的封裝來快速運算。REBECA-3D可以考慮所有的PCB資訊(敷銅層、FR4層以及過孔等)。該軟體也自動考慮環境條件,用來運算模型各表面的對流交換,包括PCB的方向(重力方向)和輻射熱遷移。圖10:電-熱-流體系統。

這些類型的建模對於確保電子元件封裝的熱性能和最佳化設計很有幫助。瞬態熱阻抗Zth的運算也可以透過在瞬態模擬中考慮佔空比來實現。

2. 熱-電冷卻器建模(光電應用)

光電二極體的可靠性和壽命是透過熱電冷卻器的熱量管理來保證的。要透過選擇適當的熱電冷卻器(面積、最大強度、組數等),並控制恰當使用強度以獲得適合溫度的方法來最佳化設計常常是一個困難。

透過向用戶提供模擬任何一種熱電冷卻器和自動尋找工作強度的可能性,REBECA-3D克服了這個困難。

3. 電熱模擬(工作模式)

在電子元件的壽命期間,強度和電壓是時間的函數。由於整個幾何中的耗散功率取決於強度和溫度,我們需要考慮工作曲線(V(t)、I(t)),才能更好地模擬功率損失的局域化和密度。

在瞬態模擬過程中,強度和電壓值需要對整個幾何中的功率密度值進行運算,它可用來運算每個時刻的溫度場。在瞬態模擬中,依賴於溫度的材料特性(熱傳導性、密度、比熱)自動發生變化,矽材料尤其如此。圖11:電-熱-流體方法。(萸僻艘湮芞)

4. 功率電子元件中的電-熱-流體模擬

功率電子元件的可靠性和壽命取決於溫度。今天,隨著大規模整合換能器的出現,高密度功率必須透過異質材料來實現。因此,全局性的熱分析對於最佳化工作能力和可靠性已具有決定意義。

傳統的熱研究設立在等價RC電路或有限元傳導模型的基礎之上,只模擬組件中矽片與基板之間的熱傳導。因此,對冷卻系統的模擬只採用了固定的溫度或?定的對流係數。

為了改進功率電子元件中的熱管理,我們提出了一個全局性的方法:

透過使用熱電偶,我們首次對測量和模擬的結果進行了比較,其差異通常小於3%。其次,我們使用了一個對表面有著相同發射率的紅外相機。如圖13所示,模擬結果和測量結果具有相同的形狀,並且其最大溫度值相同。熱模型和熱散發模型得到了完整的驗證。

本文小結

邊界元法是解實體方程的一種強有力的數學方法。準確性、可靠性和節省CPU時間是其最大優勢。圖12:REBECA-3D電-熱模型。

應用於電子元件的熱模擬時,透過在模擬軟體REBECA-3D中整合最簡便的方法,邊界元法提供了高層次的建模方法。REBECA-3D整合的模組包括:完整的三維幾何(CAO輸入)、熱-電冷卻器整合、包括輻射與對流交換在內的傳導建模、依賴於溫度因素的材料特性、電熱性能等等。

本文介紹了EPSILON Ingenierie公司開發的與電子元件預期可靠性相關的幾個研究領域和計畫,以及REBECA-3D中整合的新技術。

最後,透過對採用REBECA-3D的幾個應用(微米、光和功率電子元件)的介紹,展示了REBECA-3D軟體的功能。

欲了解更多資訊,請瀏覽:www.rebeca3d.com和www.epsilon-pib.com。

或聯繫:rebeca3d@epsilon.fr。

參考文獻

[1] C.A. Brebbia and J. Dominguez - "Boundary Element : An Introductory Course", Comp. Mech. Publications, McGraw-Hill Book Company, 1991

[2] J.P. Fradin and B. Desaunettes., "REBECA-3D : The Software for Conductive Fluxes and Temperature Fields Prediction", 26th ICES, Monterey, July 8-11, 1996

[3] J.P. Fradin and B. Desaunettes - "Calculations of the Temperature Distribution Throughout Electronic Equipments by the B.E.M. with the REBECA-3D Software", Eurotherm 45 : Thermal Management of electronic Systems, Sept 1995HSPACE=12 ALT="圖13:紅外/模擬溫度圖。">

[4] J.P. Fradin, L. Molla, B. Desaunettes, "Analysis of 3D Conjugate Heat Transfers", European Design and Test Conference, Proceedings, ED&TC97, p190-194, Mars 1997

[5] J.P. Fradin and B. Desaunettes, "REBECA-3D : A Thermal Tool for the Design of Electronic Devices", ED&TC97, User Forum, p111-115, Mars 1997

[6] H. Feral, JP. Fradin, F. Richardeau, P. Ladoux, J. Vallon, " Electro-Thermal-Fluidic Simulation in Power Electronics", 24th international PCIM Conference, Nuremberg, May 2003

作者:H. BARREAU


Email: Hbarreau@epsilon-pib.com

J.P. FRADIN


Email:JPfradin@epsilon-pib.com





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