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DELPHI简化模型使热设计彻底变革
作者:Sarang Shidore,Dr.Akbar Sahrapour
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CAE/模拟仿真展厅
通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ...
摘要:随着领先的软件供应商推出 DELPHI 简化模型,元件级热设计领域向前迈进了很大一步。本文显示了 DELPHI简化模型是如何成为真实电子冷却中预测 IC 封装性能的重要选择。尽管双热阻模型在一些设计条件下是有用的,但由于 DELPHI 具有良好的特性和计算效率,热设计界已经开始使用 DELPHI 简化模型。

背景

自从 1990 年 Mentor Graphics 公司 Mechanical Analysis 部门的 Harvey Rosten 等开创性的研究者提出了有效的详细模型开始,在热设计工具中元件模拟已经取得了长足的进步。然而,在我们讨论热设计领域简化模型的最新发展之前,回顾一下一个详细模型和一个简化模型的区别是非常重要的。

详细模型尝试去描述或重建一个封装的物理模型。因此,详细的模型总是看上去和实际的几何封装很类似。详细模型是与边界条件无关的;也就是详细模型可以精确预测封装内部不同单元(结,外壳和引脚)的温度,不管它所处的仿真环境。

令一方面简化模型是一种表现的模型,主要目的是精确的预测封装少数几个部分的温度,例如结,外壳和引脚。它无法预测封装其它部分的温度。最重要的是,一个简化模型不是通过几何模型和实际的材料特性来构建的。在一定程度上它是元件在不同边界条件下响应的一种抽取。

在简化模型领域的挑战是提出一种通用的生成 BCI(边界条件无关)简化模型的方法。不过对于热设计领域来说是幸运的,这个问题已经根本上被解决。在 1996 年由几个重要终端用户企业(也包括了软件供应商 -Mentor Graphcis 公司 Mechanical Analysis 部门)组成的 DELPHI 联合开发企业缔结了一个公共出资远大的研究项目,这个项目产生了一套生成 BCI 简化模型的完整方法。这个项目之后通过 SEED 项目进一步的进行研究,在SEED 项目中元件供应商评估了 DELPHI 方法,并且证明了它是有用的。

重要的是记住 DELPHI 方法是一种非专有的,公开的方法,这种方法一直处于 JEDEC JC51 协会的积极考虑下,这个协会主要是进行定义标准测试和仿真模型等工作。

DELPHI 模型有几个热阻所组成,这些热阻链接了结点(Die)和几个表面节点。同时也允许表面结点之间存在热阻。按照图式一个 DELPHI 简化模型看上去就如下图(一个引线封装的例子)。

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图 1:DELPHI 简化模型结构

本文将聚焦在 DELPHI 方法的理论细节。与此同时,让我们看一下软件行业提供给设计师在 BCI 方面什么样的简化模型。

热设计工具和简化模型

当进行元件级的模拟时,行业标准热设计工具 FloTHERM开 发了第一款参数化生成详细模型的工具,它在 1998年 10 月引入了 FloTHERM PACK 。FloTHERM PACK 通过它的智能元件向导可以生成标准 JEDEC 尺寸封装模型。FloTHERM PACK 可以快速地生成一个不同精细程度的模型-详细,双热阻和 DELPHI。智能向导接口意味着一个用户可以根据元件极其少量的信息就生成一个元件模型。FloTHERM PACK 现在支持所有的主流IC封装类型,Socket,PCB 和散热器。

在 1999 年夏天 Mentor Graphcis 公司 Mechanical Analysis 部门推出了双热阻简化模型。几个月之前,Mentor Graphcis 公司 Mechanical Analysis 部门继续它在简化模型方法的努力,开始支持 BC I DELPHI 简
化模型。

实例:208 引脚 PQFP 封装

让我们看一下这些工作是如何解决现实中的问题。考虑一个普通的封装,让我们举例一个 208 引脚PQFP(Plastic Quad Flat Pack),它具有一个尺寸 10mm X 10mm 的 Die 和一个 2W 的发热量。我们在大量典型电子冷却环境下对模拟详细的,双热阻和 DELPHI 进行模拟,并且比较它们的结果和相关结论。

生成双热阻和 DELPHI 模型

用户通过简单的点击按钮,就可以在合适的 JEDEC 环境中通过仿真提取 Rjc 和 Rjb 值,从而在FloTHERM PACK 中自动生成双热阻模型。这个过程被归纳在图 2 的流程图中。基于 DELPHI 方法可以生成DELPHI 模型,这个方法在文献中有详细的描述。

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图 2:FloTHERM PACK 生成双热阻模型

FloTHERM PACK 智能向导可以在几秒中内生成一个封装的详细模型。一旦详细模型被生成,用户可以选择生成一个双热阻模型或 DELPHI 简化模型。简化模型的生成仅仅耗费几分钟。一旦模型生成,用户可以下载并且载入到 FloTHERM。DELPHI 模型也会生成一个误差估计,它可以作为简化模型品质和预期性能的指导。

仿真结果

BC I 简化模型的真实测试是它应该给我们大量真实环境中结温结果的可接受误差。相应的,详细,双热阻和 DELPHI 简化模型在以下的环境中进行仿真。

■ 暴露在自然对流下的单个封装
■ 自然对流具有散热器的单个封装
■ 2m/s 强迫对流单个封装
■ 在冲击流动下的单个封装(射流出口速度 1m/s)
■ 2m/s 强迫对流周围有其它元件的封装

在每一种情况下使用的都是一样的 PCB 板,这块 PCB 是 2S2P 100mm x 100mm 的板子。自然对流的环境温度为 30oC,强迫对流的环境温度为 25oC。仿真工作在电子热仿真工具 FloTHERM 中完成。通常情况下,双热阻和 DELPHI 模型仿真所需要的时间是详细模型仿真所需时间的 1/5。

下面这些图片显示了相关的验证内容和一些获得的结果。图 1 显示了双热阻模型在自然对流情况下的温度。图2 显示了贴附散热器的详细模型在自然对流条件下的温度场和速度矢量。

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图 1:自然对流情况下双热阻模型温度场

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图 2:自然对流情况下具有散热器的详细模型

图 3 显示了在 2m/s 强迫冷却空气条件下 DELPHI 模型的温度场。图 4 和 5 显示了详细模型分别在最后两种散热条件下(冲击流动和板子周围有其它元件)的矢量和温度场。

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图 3:2m/s 强迫冷却情况下 DELPHI 简化模型

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图 4: 在射流速度 1m/s 下的详细模型

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图 5: 2m/s 强迫对流周围有其它元件的详细封装

表格 1 中罗列了元件的结点温度。注意温度的单位为 oC,并且留意误差的百分比。从这个表格中可以清楚的看到双热阻模型具有较大的误差变化,并且最大的误差超过了 30%。另一方面 DELPHI 模型的结温误差在 10%以内,具有之前所提到的 BC I 特性。

表格 1:仿真的结温数据(oC)和误差(%)
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表格 2 罗列了从 PQFP 进入到板子中的热流(W)。这是一个非常重要的参数,因为这个热流会受相邻的元件温度有影响。这里双热阻模型的性能有略微的提升,但最大的误差还是大约为 25%。DELPHI 模型再一次将误差控制在 10% 以内,说明它的确是与边界条件无关。

表格 2:仿真进入板子的热流(W)和误差(%)
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结论

结果显示在几种情况下双热阻模型预测的结温和进入板子的热流误差大约为 30%,这与大量的研究所一致。这使双热阻模型在一些初步的设计时非常有用。但是当需要进行精确的温度预测时,这么大的误差就是不可接受的。

另一方面,无论是结温还是热流 DELPHI 模型在每一种环境条件下的误差都小于 10%。如果我们意识到DELPHI 模型进行仿真时仅仅使用了详细模型 1/5 的时间时,DELPHI 模型的使用变得无法拒绝。

作为在电子设备热设计和元件级热分析领域的开创者,Mentor Graphcis 公司 Mechanical Analysis 部门很乐意尽自己的努力通过在 FloTHERM PACK 中推出与边界条件无关的 DELPHI 简化模型来提升设计的效率。

参考
http://www.mentor.com/mechanical/cn/
http://www.flopack.com(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/7/2011)
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