预测元器件温度的10 项提示

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高层摘要

元器件温度预测在很多方面都有重要意义。历史上，元器件温度关系到可靠性，早期研究认为现场故障率与元器件温度相关。近来，基于物理学的可靠性预测将电子组件的故障率与工作周期（上电、关断、上电…）内的温度变化幅度和温度变化率关联起来，而这两个因素均受稳态工作温度的影响。故障常常归结于焊点疲劳。在某些应用中，例如计算，温度会对 CPU 速度产生不利影响；而在另一些情况下，元器件必须在极为相似的温度下运行，以免产生时序问题。高温会导致闩锁等运行问题。无论是要提高可靠性、改善性能，还是要避免运行中出现问题，精确的元器件温度预测都有助于热设计人员达成目标。

尽可能地提高元器件温度 预测的确定度

借助可靠、精确的元器件温度预测，设计人员可以了解设计值与最大容许1温度的接近程度。本白皮书讨论如何在整个设计流程中实现高保真度元器件温度预测，并提高最终仿真结果的可信度。

1 为关键元器件明确建模

为了准确预测关键元器件的温度，作为热仿真的一部分，应当为元器件明确建模，这可以说是不言而喻的。然而，并非所有元器件都需要建模，而且这样做常常是不切实际的。对热不是特别敏感的低功率密度的小元器件，可以视为热良性，无需以离散方式表示。这些元器件产生的热量可以作为背景热源应用于整个电路板，或者作为电路板上的封装热源。在设计后期，当从 EDA 系统导入已填充的电路板时，Simcenter FlothermTM 软件和 Simcenter Flotherm PCBTM 软件提供的筛选选项会自动完成这些操作。

较大的元器件可能会阻碍气流，因而需要直接表示为三维对象。属于这种情况的一类元器件是电源等所使用的电解电容。它们对热敏感，最高容许温度也较低。

大型高功率元器件和高功率密度的元器件需要以离散方式建模，因为其热管理和对邻近元器件的影响对产品的整体热设计十分重要。

2 使用正确的功率估算值

如上所述，是否有必要表示一个元器件，部分程度上直接取决于其功率密度，即元器件功率除以封装面积。 

随着设计的展开并且掌握更多信息后，有必要重新审视应当以离散方式为哪些元器件建模。在设计早期，可能只能使用元器件的最大额定功率来代替其可能功耗的估算值。个别元器件以及整个电路板的功率预算会随着设计的进行而改变，因此需要定期重新检查。

元器件的功率估算值可以通过多种方法获得，例如使用 Siemens Digital Industries Software Modelsim 创建基于 RTL 的功率估算。 

3 使用正确的封装热模型 

我们的白皮书“简化 PCB 热设计的 10 项提示”[参考文献 1] 中介绍了元器件热模型。元器件热模型的选择取决于多个因素。

在电路板布线之前或尚不知道电路板中层数的早期设计中，精确预测元器件温度是不可能的，因此不需要元器件的精密热模型。随着设计的深入，当 PCB 模型可以优化时，元器件热模型也应当优化。 

选择极为合适的元器件热模型是一个迭代过程，因为如果元器件的预测温度很高2，则说明不仅需要优化元器件的热模型，还可能需要考虑元器件专用热管理解决方案。

4 尽早在设计中使用简化热模型

在参考文献 1 中，我们谈到了需要为元器件精确建模，并且应当在选择封装之前的热设计中就使用元器件的三维表示，此外还介绍了双热阻和 DELPHI 简化热模型。

下面将更详细地讨论这些模型的预测精度。

1.可能是结温或壳温，在元器件产品说明中指定。

2.在设计早期，“高温”所指的设计安全裕量相当大。

双热阻模型

如前所述，双热阻简化热模型 (CTM) 是保真度最低的模型，能够预测壳温和结温。使用双热阻模型的一个好处是，除了简单的导热块以外，它不需要任何其他 格，因此对仿真时间无不利影响。虽然其计算量极小，但在最坏情况下，结温预测的误差可能高达 ±30%，而且会因封装类型和尺寸而有所不同。

该模型所基于的结-壳热阻和结-电路板热阻指标是在标准条件下测量的。JEDEC 标准 JESD15-3 要求结-电路板热阻在具有连续电源和接地平面层的 2s2p 电路板上测量。测量结-壳热阻时，需将封装顶部压在冷板上。因此，应用条件与测试条件越接近，双热阻模型的预测精度就越高。对于结-壳热阻，极为接近测试环境的应用环境是当元器件有一个散热器贴附整个封装表面时。因此，双热阻模型可用来初步评估所需散热器的尺寸。 

注意，双热阻模型的上表面是一个代表外壳的等温节点，这意味着散热器的基座是等温的。因此，双热阻模型可用来确定降低散热器空气侧热阻所需的鳍片数量、厚度和高度，但不能确定为了充分散热以确保传递到外部鳍片的热量不会受过度限制的基座厚度。

RC 阶梯模型

对于具有单一热流路径的封装，如 LED 和 TO 式封装，有一种 JEDEC 标准方法 [参考文献 2] 可用于测量从结点至封装调整片的热流路径的热阻-热容模型。注意，这种方法并不直接向封装的裸露上表面提供热阻。然而，如果能通过某种方式估算该热阻，那么就可以使用西门子瞬态热测试仪 Simcenter T3STERTM 软件来创建一个考虑这种情况的 RC 阶梯热模型。

Simcenter T3STER 是业界领先的解决方案，可用于测量封装 IC 以创建相应的热模型，从而直接用作 Simcenter Flotherm 中的 络组件。与仅包含热阻的双热阻模型不同，这些模型还包含热容，因此可用于瞬态仿真。当应用环境接近测试冷板环境时，例如将封装焊接到 MCPCB 或高热导率板上的铜焊盘时，这些模型可提供出色的结果。 

DELPHI 模型

DELPHI 模型得名于 Flomerics 在二十世纪 90 年代后期协调开发的 DELPHI 项目。这些模型分割了上下表面，并用一个热阻矩阵将这些表面连接到结点和/或彼此连接。利用这些附加的内部热阻，可根据边界条件调整流经这些封装内部路径的热量。在很多应用中，该模型预测的最坏情况结温精度都在 ±10% 范围内。一般来说，DELPHI 模型足以应付大多数详细热设计工作，但以下情况除外：热特性极为关键的封装，叠层或三维 IC，以及需要通过仿真获得额外信息（例如芯片表面的温度分布）的情况。

详细模型

详细模型是以离散方式为封装内部所有热相关特性建模的热模型。注意，这些模型常常包含一定程度的近似，因为个别封装键合线等特性常常是集总考虑的。然而，此类模型的目的是为了精确反映封装内部的温度分布。