电子组件的电热建模与可靠性预测

由于电子系统体积的小型化和功率的增大,确保电子元件和电子组件的功能并提高其性能和可靠性已变得越来越关键。本文介绍了EPSILON Ingénierie公司开发的几种功率电子器件和微电子器件电热仿真方法,以及作为热传导解决方案的REBECA-3D软件的主要特征。

电子技术的发展使得集成度越来越高。如果1960年电路中只有一个晶体管的话,那么现在每个集成电路硅片中至少有50万个晶体管。虽然硅片晶体管实现技术的进步使得晶体管的功耗不断降低,但硅片上单位面积的功耗却仍在增加。晶体管数量的迅速增加无法通过降低热量消耗来补偿。事实上,器件遇到的热问题不是与功率相关而是与温度相关。

不过,热问题却是功率密度的一个直接函数。在某些计算机中,单位面积硅片消耗的功率约为500 kW/m2,这完全可与宇宙飞船返回大气层时前部所承受的气流密度相比。在元件的寿命期间,失效原因主要有两个:1. 设计因素与/或内部构成；2. 元件所处环境的影响。气候约束主要源于温度、湿度、气压和太阳辐射。

所有电子元件都对温度敏感:超出极限温度时它们的性能将变得很差,如果温度大大超出工作温度范围,元件可能会损坏。工作温度是由制造商规定的,一般情况下为:

* 工业级:0～70 °C；

* 民用级:-20～+85 °C；

* 军用级:-55～125 °C。

制造商通常都会指出最大工作温度。这个温度的影响体现在以下方面:

(a) 电性能:该温度可能是一个极限值,超出这个温度将无法保证正常工作。参数漂移将导致不同程度的性能降低,直至失效；(b) 封装会受到温度剧烈变化的影响。在临界温度,元件的物理结构将发生状态改变。温度变化会加速材料约束的蠕变和松弛,并可能导致失效；3. 膨胀系数不同的多种材料相互联系的热循环会引起非常显著的应力,有可能导致瞬间断裂,或者引发长期而言将导致断裂的疲劳。

因此,冷却电子元件的目的是为了让每个元件处在额定的工作温度范围之内。

这就是EPSILON Ingénierie公司使用电子器件热仿真软件REBECA-3D时,所面临的热模拟挑战。

REBECA-3D软件

REBECA-3D(三维应用可靠边界元传导分析软件)对由传导交换所驱动的热传递进行仿真。由于采用了边界元方法(Boundary Element Method,BEM),REBECA-3D既是一个设计工具,又是一个建模工具。它比经典方法给出了更为精确和可靠的结果。

下面将介绍这个三维软件的独创性,以显示其重要性。在电子元件领域,精确了解热性能具有关键意义。例如,它对更好地预测元件在其所处环境中的性能和可靠性有着重要的影响。

研究热性能必须使用建模工具。强大和精确的参数分析工具显然需要调整几何、电子和热参数。REBECA-3D在各种数值方法中选择了边界元法,因为它允许显著降低模型的几何复杂度,这种方法也适合通过很少的计算来进行敏感度研究。

1. REBECA-3D的应用领域

REBECA-3D的主要应用领域包括:

(a) MEMS/MST；

(b) 微观三维结构(硅和砷化镓)；

(c) 封装；

(d) MMIC、HEMT器件；

(e) MCM (多芯片模块、倒装芯片……)；

(f) 合成器件(薄膜/厚膜/MIC……)；

(g) 功率电子模块；

(h) 光电器件；

2. REBECA-3D的独创性

REBECA-3D的独创性与其采用的数值方法紧密相关。REBECA-3D建立在边界元法的基础上,这种数值方法的采用直接带来了大量的优势和全新的可能。

正如Sevilla大学的Dominguez教授所说:“边界元法已成为替代有限元法(以及有限差分法等)的一种功能强大的方法,尤其是在需要更高精度的时候。”此外,“在许多工程应用中,有限元法已被证明是不足够的或低效率的。”而边界元法则是效率和速度的双重结果。

“在很多情况下,经典的数值方法使用起来过于麻烦,因此很难将它们集成到计算机辅助工程设计系统中去。例如,有限元法仍然是一种相对较慢的设计方法,以至于许多工程师宁愿选择可靠性一般但非常快的近似方法。”相反,边界元法只包括模型边界的离散化处理,然后提供一种更快的问题建模方法。对于三维模型,它可以更为迅速地评估具体设计中的参数变化。在需要进行设计优化和热性能表征的尖端电子器件分析中,减少计算时间已成为一项优先考虑。

3. 降低维数

REBECA-3D在建模方面的第一个优势是降低了维数:三维问题被降阶为一组二维问题,只需进行表面结合即可。尽管传导性能取决于温度情况,也不需要进行内部几何的网格划分,不需要任何内部未知量和内部网格分割。因此,无需进行离散化处理就可将边界温度和流量计算出来。而且,REBECA-3D在降低问题维数的同时并没有牺牲精度和可靠性。

维数的降低为经典数值方法提供了新的可能性:

(a) 由于没有任何内部结合,研究包括不同比例因子元(如,硅片厚度与元件长度之比)在内的一些问题也变得很容易。因此,不需要对体积进行精确的网格划分。网格长度常常符合一个细小表面的几何级数。

(b) 由于没有任何内部网格划分,产生运行问题所需的数据变得很容易,从而简化了模型。对于同一精确程度的结果,REBECA-3D所需网格数量的重要性常常比经典方法要低上一百倍。

4. 参数研究

REBECA-3D另一个有吸引力的优点是,它使得通过极少量计算而迅速方便地进行大量灵敏度研究变得更为可能。因此在表征过程中,可以通过很少的计算来来进行参数研究。这一点对于设计阶段和了解系统特别关键。因此,有可能可以根据不同参数对研究进展的影响在它们之间创建一个层次结构。通过结合高性能的数学技巧和一种基于对象概念的方法,REBECA-3D成为一种特别适合进行参数研究的工具。对边界元模型的修改完全是本地的,网格划分也可以非常迅速地进行修改。

由于REBECA-3D同时计算温度和流量,其结果比使用其他数值方法更为精确。结果的精度也通过使用经典数值方法(F.E.M和F.D.M)进行的测试以及与实验结果(液晶法、标准红外热像仪系统、专用实验装置)的比较得到了证明。上述优点带来的其他结果是:(a) 减少了计算时间。前面所述各点的结果就是,与其他软件(详细技术内容参见文献2和文献3)相比,REBECA-3D节省了时间。(b) 容易与其他软件合成。由于传导是在边界水平进行处理,因此很容易将REBECA-3D与其他热软件结合起来,以便研究关联复合的热问题。如包含多次反射的辐射、具有流体力学结构的对流等。

REBECA-3D的用途

REBECA-3D独立地应用在许多领域,用来解决大量的传导问题。在电子器件领域,从晶体管一级到PCB一级都可使用REBECA-3D。例如,可以用它来表征PCB上的元器件固化后对封装接点温度的影响。相应的模型考虑了5个尺寸因子,如:硅片的厚度为几个微米,PCB的长度为几个厘米。

对于电子元件,REBECA-3D可用于以下多种目的:

(a) 工作和设计优化:包括晶体管、元器件和PCB；

(b) 热性能表征；

(c) 数据手册验证:Rthja(与周围环境相关)、Rthjc (与应用场合相关)、瞬态热阻抗、标准JEDEC环境、故障测试(AATC、LLTC)；

(d) 可靠性与性能改进:热工作范围距离；

上述各种目的可能应用在整个工作环境中都要考虑,包括:

(a) 电子:功率失效(电流、电压等)；

(b) 热:传导(硅片、布局、过孔)、对流等。

REBECA-3D的特性

REBECA-3D目前的商业版本(3.0版)允许使用非结构性表面网格分割来解决实际的热传导三维问题。REBECA-3D的主要特性如下:

* 友好的用户界面减少了建模时间

* CAD几何输入

* 方便地定义材料性质

* 自动产生网格分割

* 电子材料数据库

* 等价的材料属性工具

* 稳态/瞬态应用

* 热参数研究

* 电热特性

* 对辐射和对流热传递进行预表征的传导建模

* 方便连接到其他软件:

* 用于电-热仿真的电子模块

* 用于复杂热-流模型的流体模块

* 用于发热-机械分析的机械模块

* 集成了热电冷却模块

REBECA-3D专门为电子工程师设计,是一个用来提高可靠性和确定电子组件设计的电热分析软件, 它建立在边界元方法的基础上,既是一个仿真工具又是一个设计工具。

研究和开发

EPSILON Ingénierie与FREESCALE、MBDA、 THALES、 LAAS、 ALSTOM 等公司合作,参与了大国家与欧洲研究计划,由此开展了对电子元件可靠性的高层次研究。包括:(a) 生产(制造),包括封装工艺(晶圆报告、铸模注射)和PCB焊接；(b) 寿命(工作),包括热工作循环产生的应力和变形、封装优化与瞬态记录定义、循环电热机械学的实现、热工作范围、多层方法(自顶向下、自底向上)、报废(失效)、失效前循环次数计算、疲劳定律的实现。

很多工作都需要开发新的技术途径,并最终导致它们要么被集成到REBECA-3D之内,要么与REBECA-3D应用结合到了一起。

1. 发热特性(Rjc、Rja、Zth)

REBECA-3D应用的第一个例子是确定或验证数据手册中Rjc和Rja这两个热阻以及瞬态热阻抗Zth的数值。

封装热性能可采用REBECA-3D热模型来进行估计,这个模型对传导热传输计算准确。封装的所有详细几何特征(包括引线框架、管脚、晶圆、附属晶圆、压模、导线等)都可与材料属性一起进行考虑。REBECA-3D自动显示温度场(和结点温度)以及与环境测试(JEDEC环境)相对应的边界条件。

热阻Rja也可通过用REBECA-3D软件模拟PCB上所安装的封装来快速计算。REBECA-3D可以考虑所有的PCB信息(敷铜层、FR4层以及过孔等)。该软件也自动考虑环境条件,用来计算模型各表面的对流交换,包括PCB的方向(重力方向)和辐射热迁移。

这些类型的建模对于确保电子器件封装的热性能和优化设计很有帮助。瞬态热阻抗Zth的计算也可以通过在瞬态仿真中考虑占空比来实现。

2. 热-电冷却器建模(光电应用)

光电二极管的可靠性和寿命是通过热电冷却器的热量管理来保证的。要通过选择适当的热电冷却器(面积、最大强度、组数等),并控制恰当使用强度以获得适合温度的方法来优化设计常常是一个困难。

通过向用户提供模拟任何一种热电冷却器和自动寻找工作强度的可能性,REBECA-3D克服了这个困难。

3. 电热模拟(工作模式)

在电子元件的寿命期间,强度和电压是时间的函数。由于整个几何中的耗散功率取决于强度和温度,我们需要考虑工作曲线(V(t)、I(t)),才能更好地模拟功率损失的局域化和密度。

在瞬态仿真过程中,强度和电压值需要对整个几何中的功率密度值进行计算,它可用来计算每个时刻的温度场。在瞬态仿真中,依赖于温度的材料特性(热传导性、密度、比热)自动发生变化,硅材料尤其如此。

(图9)

4. 功率电子器件中的电-热-流体仿真

功率电子器件的可靠性和寿命取决于温度。今天,随着大规模集成换能器的出现,高密度功率必须通过异质材料来实现。因此,全局性的热分析对于优化工作能力和可靠性已具有决定意义。

传统的热研究建立在等价RC电路或有限元传导模型的基础之上,只模拟组件中硅片与基板之间的热传导。因此,对冷却系统的模拟只采用了固定的温度或恒定的对流系数。

为了改进功率电子器件中的热管理,我们提出了一个全局性的方法:

通过使用热电偶,我们首次对测量和仿真的结果进行了比较,其差异通常小于3%。其次,我们使用了一个对表面有着相同发射率的红外摄相机。如图13所示,仿真结果和测量结果具有相同的形状,并且其最大温度值相同。热模型和热散发模型得到了完整的验证。

(图13)

本文小结

边界元法是解物理方程的一种强有力的数学方法。准确性、可靠性和节省CPU时间是其最大优势。

应用于电子器件的热仿真时,通过在仿真软件REBECA-3D中集成最简便的方法,边界元法提供了高层次的建模手段。REBECA-3D集成的模块包括:完整的三维几何(CAO输入)、热-电冷却器集成、包括预表征辐射与对流交换在内的传导建模、依赖于温度因素的材料特性、电热性能等等。

本文介绍了EPSILON Ingénierie公司开发的与电子元件预期可靠性相关的几个研究领域和计划,以及REBECA-3D中集成的新技术。

最后,通过对采用REBECA-3D的几个应用(微米、光和功率电子器件)的介绍,展示了REBECA-3D软件的功能。

欲了解更多信息,请访问:和。

或联系:rebeca3d@。

参考文献

[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 1995

[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

J.P. FRADIN

JPfradin@