电子组件的电热建模与可靠性预测（二）

　　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。