專利名稱：一種熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及利用該模型計算微電子器件結(jié)溫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子封裝的熱可靠性技術(shù)，尤其涉及一種熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及利用該模型計算微電子器件結(jié)溫的方法。
背景技術(shù)：
長期以來，如何讓工程技術(shù)人員方便計算實際工作環(huán)境下的微電子器件的結(jié)溫以保障器件芯片工作溫度不超過最高允許結(jié)溫，并沒有一個有效、方便的方法，并且由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)IC熱模型，也給準(zhǔn)確的熱設(shè)計帶來了困難。隨著微電子封裝的日益小型化、高組裝密度，使得微電子封裝熱流密度越來越大，熱可靠性問題越來越突出。
目前一般用戶多使用微電子封裝熱阻(θja或θjc)來表征微電子封裝的熱性能并計算結(jié)溫，θja、θjc按照J(rèn)EDEC、SEMI、MIL等標(biāo)準(zhǔn)測量。但是，θja是環(huán)境的函數(shù)，隨著環(huán)境條件的變化，熱阻值隨之變化，因此不適用于復(fù)雜環(huán)境下計算結(jié)溫；θjc不受環(huán)境的影響，但只適用于封裝外表面溫度都相等的情況。并且由于測量方式本身的局限性，很難比較不同廠商之間的熱阻值，數(shù)據(jù)也不能從測量環(huán)境轉(zhuǎn)換到實際環(huán)境，這些限制了θja或θjc在實際中的使用。
針對傳統(tǒng)微電子封裝熱阻(θja或θjc)的不足，歐洲及日本的科研人員提出了簡潔熱模型(CTM)，在一定程度上較好地解決這一問題，可以應(yīng)用的模型有Mahalingam模型、Joiner模型、Lemzcyk模型、Bar-Cohen模型、Lasance模型。但是Mahalingam模型、Joiner模型和Lemzcyk模型不能獨立于邊界條件，由于不能準(zhǔn)確表征微電子封裝熱性能，或模型過于復(fù)雜，使用不方便，都不能真正應(yīng)用于熱設(shè)計和實際工作環(huán)境的檢測。Bar-Cohen模型只在等溫邊界條件下實現(xiàn)獨立邊界條件，應(yīng)用于對流邊界條件，誤差超過16％。Lasance模型存在不可忽視的系統(tǒng)誤差，并且熱阻網(wǎng)絡(luò)、建模方法比Bar-Cohen模型復(fù)雜，且具有較大的隨意性；Lasance模型的精度為90％，且不能給出結(jié)溫的具體表達(dá)式。前述的簡潔熱模型均采用固定的一個熱阻網(wǎng)絡(luò)表達(dá)式表示微電子封裝在等溫邊界條件和對流邊界條件下的熱性能，模型缺乏理論的支持，只是通過優(yōu)化手段減少結(jié)溫預(yù)測的誤差，在對流換熱條件下的結(jié)溫預(yù)測誤差＞10％，并沒有從根本上解決邊界條件的限制，不能準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)微電子封裝的熱性能，且無法應(yīng)用于實際環(huán)境便于工程技術(shù)人員現(xiàn)場預(yù)測其器件結(jié)溫。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及利用該模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，解決傳統(tǒng)熱阻隨邊界變化而變化及簡潔熱模型結(jié)溫預(yù)測精度差的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的技術(shù)方案為一種熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，它為星形結(jié)構(gòu)，由與封裝的微電子器件的結(jié)相連的代表頂面、側(cè)面、底面和引腳的四個節(jié)點構(gòu)成，各節(jié)點與結(jié)之間通過分別表示頂面、側(cè)面、底面和引腳對器件散熱作用的支路熱阻相連。
本發(fā)明的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法包括以下步驟(1)根據(jù)所述熱阻網(wǎng)絡(luò)模型得到具有未知系數(shù)的微電子器件結(jié)溫表達(dá)式；(2)進(jìn)行熱測試獲得微電子器件的相關(guān)結(jié)溫數(shù)據(jù)；(3)提取微電子器件的參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)和功耗；(4)建立微電子器件的有限元仿真模型；(5)將有限元模型所得結(jié)果與熱測試結(jié)果對比，對有限元模型進(jìn)行修正，確保有限元模型的正確性，得到有效有限元模型；(6)進(jìn)行有限元仿真，得到仿真數(shù)據(jù)；(7)建立優(yōu)化函數(shù)，對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，確定微電子器件結(jié)溫表達(dá)式中未知系數(shù)的值從而求得各邊界條件下器件的結(jié)溫。
對于等溫邊界條件，結(jié)溫表達(dá)式為Tj=Σk=1nAkiTki+An+1iq,]]>式中Tj為器件的結(jié)溫，Tk為器件的K表面的表面加權(quán)平均溫度，q為器件的功耗，Ak、An+1為系數(shù)。
對于對流邊界條件，結(jié)溫表達(dá)式為Tj=Σk=1nAkcTkc+An+1cq,]]>式中Tj為器件的結(jié)溫，Tk為器件的K表面的面積加權(quán)平均溫度，q為器件的功耗，Ak、An+1為系數(shù)。
通過采用紅外熱成像法或電測法以獲得微電子器件的相關(guān)結(jié)溫數(shù)據(jù)。
所述的材料參數(shù)主要為材料的熱傳導(dǎo)率。
通過采用通用有限元分析軟件以建立微電子器件的有限元仿真模型。
所述仿真數(shù)據(jù)是通過采用有效有限元模型，將微電子器件在實際工程應(yīng)用環(huán)境中所有可能遇到的散熱條件歸納為一套典型的邊界條件，進(jìn)行計算機模擬仿真，得到在多種邊界條件下器件的溫度分布，并采用面積加權(quán)平均方法提取器件各特征表面的面積加權(quán)平均溫度。
所述的優(yōu)化函數(shù)為Σk=1n(TjA-TjB)2=min,]]>式中TiA為有限元軟件仿真所得結(jié)溫，TiB為熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算所得的結(jié)溫，采用表面響應(yīng)方法進(jìn)行優(yōu)化，通過使min值最小來確定等溫邊界條件和對流邊界條件下結(jié)溫表達(dá)式中的系數(shù)Ak。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出了等溫邊界條件下的器件地本征熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和對流邊界條件下名義熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，建立了獨立邊界條件的、準(zhǔn)確表征微電子封裝熱性能的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，用于實際環(huán)境中工程技術(shù)人員預(yù)測器件的結(jié)溫、熱設(shè)計評價。建立用于集成化熱設(shè)計的熱單元模型，最終為為建立標(biāo)準(zhǔn)IC熱模型庫。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1是本征熱阻星形網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖2是名義熱阻星形網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖3是具體例的本征熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1和圖2，本發(fā)明的熱阻網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)表示，用和結(jié)相連的代表頂面、側(cè)面、底面和引腳的四個節(jié)點構(gòu)成，各節(jié)點與結(jié)之間通過支路熱阻相連，各支路熱阻分別表示頂面、側(cè)面、底面和引腳對器件散熱的作用。本征熱阻網(wǎng)絡(luò)和名義熱阻網(wǎng)絡(luò)采用相同的結(jié)構(gòu)，本征熱阻網(wǎng)絡(luò)用于等溫邊界條件，名義熱阻網(wǎng)絡(luò)用于對流邊界條件。
下面是微電子器件的建模和結(jié)溫計算過程(1)對現(xiàn)有熱阻定義進(jìn)行改進(jìn)，提出微電子封裝的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型。
本發(fā)明以二維溫度場為例，把二維的溫度場無限細(xì)分，由于無限細(xì)分，故對每個細(xì)分的單元可采用傳統(tǒng)的熱阻的定義進(jìn)行分析。最后采用電路相似原理，證明了等溫邊界條件下微電子封裝熱阻和對流條件下封裝熱阻的本質(zhì)區(qū)別，提出了分別表征微電子封裝在等溫邊界條件和對流邊界條件下的本征熱阻及名義熱阻。具體的表達(dá)式為(1)。
對于穩(wěn)態(tài)、線性系統(tǒng)，微電子封裝三維溫度場可視為由幾個二維溫度場疊加而成。和上面二維溫度場熱阻擴展定義相一致，本發(fā)明相應(yīng)地將三維溫度場熱阻定義進(jìn)行了擴展，如式(2)所示。同樣的，等溫邊界條件所對應(yīng)的熱阻為本征熱阻，對流邊界條件所對應(yīng)的熱阻為名義熱阻。
根據(jù)上面的熱阻的改進(jìn)方法，令θjc＝An+1提出了微電子封裝在等溫邊界和對流邊界條件下的結(jié)溫預(yù)測公式(即熱阻網(wǎng)絡(luò)的計算公式)對于等溫邊界條件，采用本征熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)溫的預(yù)測公式為(3)
Tj=Σk=1nAkiTki+An+1iq---(3)]]>式中Tj為器件的結(jié)溫 Tk為器件的K表面的表面加權(quán)平均溫度q為器件的功耗Ak、An+1為系數(shù)。
對于對流邊界條件，采用名義熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)溫的預(yù)測公式為(4)Tj=Σk=1nAkcTkc+An+1cq---(4)]]>式中Tj為器件的結(jié)溫 Tk為器件的K表面的面積加權(quán)平均溫度q為器件的功耗Ak、An+1為系數(shù)。
(2)進(jìn)行熱測試進(jìn)行熱測試獲得器件的結(jié)溫數(shù)據(jù)，可以采用紅外熱成像法、電測法等。
(3)提取器件的參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、功耗，材料參數(shù)主要為材料的熱傳導(dǎo)率。
(4)建立器件的詳細(xì)的有限元仿真模型；可采用通用有限元分析軟件，如ANSYS等。
(5)將有限元模型所得結(jié)果與熱測試結(jié)果對比，對有限元模型進(jìn)行修正，確保有限元模型的正確性，得到有效有限元模型。
(6)進(jìn)行有限元仿真，得到仿真數(shù)據(jù)。
采用經(jīng)過驗證的有限元模型，將器件在實際工程應(yīng)用環(huán)境中所有可能遇到的散熱條件歸納為一套典型的邊界條件，如DELPHI計劃中所提出的38種邊界條件，進(jìn)行計算機模擬仿真，得到在38種邊界條件下的器件的溫度分布。采用面積加權(quán)平均方法提取器件各特征表面(頂面、側(cè)面、底面和引腳)的面積加權(quán)平均溫度(Tk)。
(7)建立優(yōu)化函數(shù)，用表面響應(yīng)法對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到結(jié)溫表達(dá)式。
選用的優(yōu)化函數(shù)為Σk=1n(TjA-TjB)2=min,---(5)]]>
TiA為有限元軟件仿真所得結(jié)溫，TiB為熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算所得的結(jié)溫。采用表面響應(yīng)方法(RSM)進(jìn)行優(yōu)化，通過使(5)式最小來確定等溫邊界條件和對流邊界條件下結(jié)溫計算式中的系數(shù)Ak。
(8)確定熱阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)溫表達(dá)式，計算熱阻網(wǎng)絡(luò)的支路熱阻本發(fā)明中的熱阻網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，用和結(jié)相連的代表頂面、側(cè)面、底面和引腳的四個節(jié)點構(gòu)成，各節(jié)點與結(jié)之間通過支路熱阻相連，各支路熱阻分別表示頂面、側(cè)面、底面和引腳對器件散熱的作用，根據(jù)結(jié)溫計算式，采用式(6)計算熱阻網(wǎng)絡(luò)各支路熱阻。本征熱阻網(wǎng)絡(luò)和名叉熱阻網(wǎng)絡(luò)采用相同的結(jié)構(gòu)，本征熱阻網(wǎng)絡(luò)用于等溫邊界條件，名義熱阻網(wǎng)絡(luò)用于對流邊界條件。
Rk＝An+1/Ak(6)(9)對熱阻網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行驗證。
本發(fā)明采用通過試驗驗證的有限元模型在不同邊界條件下的結(jié)溫模擬結(jié)果和熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算結(jié)果相比較進(jìn)行熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的驗證。要求熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)溫預(yù)測誤差小于5％。
請參閱圖2，以一個28針PLCC模塊為例建立擴展熱阻定義后的star-network簡潔熱模型。該模塊外形11.43×11.43×3.81mm，引線0.66mm寬，從midplane向外2.66mm，芯片3.65×3.65×0.38mm。引線框為銅合金，模封材料為環(huán)氧樹脂。該PLCC模塊在國外簡潔熱模型的研究中使用較為廣泛，模型的有限元模擬結(jié)果已由Bar-Cohen等校驗。
對該模型施加25種等溫邊界條件，采用有限元仿真技術(shù)，計算25種等溫邊界條件下的器件的結(jié)溫，并采用表面響應(yīng)方法建立了器件的本征熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)溫的具體計算公式如下 根據(jù)式(6)計算各支路熱阻。
對25種邊界條件下的有限元模擬結(jié)果和熱阻網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)溫的預(yù)測精度達(dá)到98％，準(zhǔn)確表征了器件熱性能。利用建立的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，可方便地確定任意等溫邊界條件下的器件的結(jié)溫。大大加快熱設(shè)計地進(jìn)程，在實際使用條件下，只要簡單測試器件各面地溫度，就可準(zhǔn)確預(yù)測器件的工作溫度，確保器件的熱可靠性。建立的熱阻網(wǎng)絡(luò)不僅可以用于實際環(huán)境下預(yù)測器件的結(jié)溫，也可用于建立集成化熱設(shè)計的熱單元模型。
權(quán)利要求
1.一種熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，其特征在于所述的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型為星形結(jié)構(gòu)，它由與封裝的微電子器件的結(jié)相連的代表頂面、側(cè)面、底面和引腳的四個節(jié)點構(gòu)成，各節(jié)點與結(jié)之間通過分別表示頂面、側(cè)面、底面和引腳對器件散熱作用的支路熱阻相連。
2.一種利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，它包括以下步驟(1)根據(jù)所述熱阻網(wǎng)絡(luò)模型得到具有未知系數(shù)的微電子器件結(jié)溫表達(dá)式；(2)進(jìn)行熱測試獲得微電子器件的相關(guān)結(jié)溫數(shù)據(jù)；(3)提取微電子器件的參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)和功耗；(4)建立微電子器件的有限元仿真模型；(5)將有限元模型所得結(jié)果與熱測試結(jié)果對比，對有限元模型進(jìn)行修正，確保有限元模型的正確性，得到有效有限元模型；(6)進(jìn)行有限元仿真，得到仿真數(shù)據(jù)；(7)建立優(yōu)化函數(shù)，對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，確定微電子器件結(jié)溫表達(dá)式中未知系數(shù)的值從而求得各邊界條件下器件的結(jié)溫。
3.如權(quán)利要求2所述的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，對于等溫邊界條件，結(jié)溫表達(dá)式為Tj=Σk=1nAkiTki+An+1iq,]]>式中Tj為器件的結(jié)溫，Tk為器件的K表面的表面加權(quán)平均溫度，q為器件的功耗，Ak、An+1為系數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，對于對流邊界條件，結(jié)溫表達(dá)式為Tj=Σk=1nAkcTkc+An+1cq,]]>式中Tj為器件的結(jié)溫，Tk為器件的K表面的面積加權(quán)平均溫度，q為器件的功耗，Ak、An+1為系數(shù)。
5.如權(quán)利要求2所述的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，通過采用紅外熱成像法或電測法以獲得微電子器件的相關(guān)結(jié)溫數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求2所述的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，所述的材料參數(shù)主要為材料的熱傳導(dǎo)率。
7.如權(quán)利要求2所述的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，通過采用通用有限元分析軟件以建立微電子器件的有限元仿真模型。
8.如權(quán)利要求2所述的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，所述仿真數(shù)據(jù)是通過采用有效有限元模型，將微電子器件在實際工程應(yīng)用環(huán)境中所有可能遇到的散熱條件歸納為一套典型的邊界條件，進(jìn)行計算機模擬仿真，得到在多種邊界條件下器件的溫度分布，并采用面積加權(quán)平均方法提取器件各特征表面的面積加權(quán)平均溫度。
9.如權(quán)利要求2所述的利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，其特征在于，所述的優(yōu)化函數(shù)為Σk=1n(TjA-TjB)2=min,]]>式中TjA為有限元軟件仿真所得結(jié)溫，TjB為熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算所得的結(jié)溫，采用表面響應(yīng)方法進(jìn)行優(yōu)化，通過使min值最小來確定等溫邊界條件和對流邊界條件下結(jié)溫表達(dá)式中的系數(shù)Ak。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，它為星形結(jié)構(gòu)，它由與封裝的微電子器件的結(jié)相連的代表頂面、側(cè)面、底面和引腳的四個節(jié)點構(gòu)成，各節(jié)點與結(jié)之間通過分別表示頂面、側(cè)面、底面和引腳對器件散熱作用的支路熱阻相連。還公開了一種利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算微電子器件結(jié)溫的方法，包括以下步驟根據(jù)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型得到具有未知系數(shù)的結(jié)溫表達(dá)式；進(jìn)行熱測試獲得微電子器件的相關(guān)結(jié)溫數(shù)據(jù)；提取微電子器件的參數(shù)；建立微電子器件的有限元仿真模型；對有限元模型進(jìn)行修正，確保有限元模型的正確性，得到有效有限元模型；進(jìn)行有限元仿真，得到仿真數(shù)據(jù)；建立優(yōu)化函數(shù)，對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，確定結(jié)溫表達(dá)式中未知系數(shù)的值從而求得各邊界條件下器件的結(jié)溫。
文檔編號G06F17/50GK101017510SQ20061003422
公開日2007年8月15日 申請日期2006年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者邱寶軍, 蔣明, 何小琦, 楊邦朝 申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所