一种利用热阻网络模型计算微电子器件结温的方法技术

本发明专利技术公开了一种热阻网络模型，它为星形结构，它由与封装的微电子器件的结相连的代表顶面、侧面、底面和引脚的四个节点构成，各节点与结之间通过分别表示顶面、侧面、底面和引脚对器件散热作用的支路热阻相连。还公开了一种利用热阻网络模型计算微电子器件结温的方法，包括以下步骤：根据热阻网络模型得到具有未知系数的结温表达式；进行热测试获得微电子器件的相关结温数据；提取微电子器件的参数；建立微电子器件的有限元仿真模型；对有限元模型进行修正，确保有限元模型的正确性，得到有效有限元模型；进行有限元仿真，得到仿真数据；建立优化函数，对仿真数据进行优化处理，确定结温表达式中未知系数的值从而求得各边界条件下器件的结温。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子封装的热可靠性技术，尤其涉及。
技术介绍
长期以来，如何让工程技术人员方便计算实际工作环境下的微电子器件的结温以保障器件芯片工作温度不超过最高允许结温，并没有一个有效、方便的方法，并且由于缺乏标准IC热模型，也给准确的热设计带来了困难。随着微电子封装的日益小型化、高组装密度，使得微电子封装热流密度越来越大，热可靠性问题越来越突出。目前一般用户多使用微电子封装热阻(θja或θjc)来表征微电子封装的热性能并计算结温，θja、θjc按照JEDEC、SEMI、MIL等标准测量。但是，θja是环境的函数，随着环境条件的变化，热阻值随之变化，因此不适用于复杂环境下计算结温；θjc不受环境的影响，但只适用于封装外表面温度都相等的情况。并且由于测量方式本身的局限性，很难比较不同厂商之间的热阻值，数据也不能从测量环境转换到实际环境，这些限制了θja或θjc在实际中的使用。针对传统微电子封装热阻(θja或θjc)的不足，欧洲及日本的科研人员提出了简洁热模型(CTM)，在一定程度上较好地解决这一问题，可以应用的模型有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模型不能独立于边界条件，由于不能准确表征微电子封装热性能，或模型过于复杂，使用不方便，都不能真正应用于热设计和实际工作环境的检测。Bar-Cohen模型只在等温边界条件下实现独立边界条件，应用于对流边界条件，误差超过16％。Lasance模型存在不可忽视的系统误差，并且热阻网络、建模方法比Bar-Cohen模型复杂，且具有较大的随意性；Lasance模型的精度为90％，且不能给出结温的具体表达式。前述的简洁热模型均采用固定的一个热阻网络表达式表示微电子封装在等温边界条件和对流边界条件下的热性能，模型缺乏理论的支持，只是通过优化手段减少结温预测的误差，在对流换热条件下的结温预测误差＞10％，并没有从根本上解决边界条件的限制，不能准确标准微电子封装的热性能，且无法应用于实际环境便于工程技术人员现场预测其器件结温。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供，解决传统热阻随边界变化而变化及简洁热模型结温预测精度差的不足。为了实现上述目的，本专利技术的热阻网络模型的技术方案为一种热阻网络模型，它为星形结构，由与封装的微电子器件的结相连的代表顶面、侧面、底面和引脚的四个节点构成，各节点与结之间通过分别表示顶面、侧面、底面和引脚对器件散热作用的支路热阻相连。本专利技术的利用热阻网络模型计算微电子器件结温的方法包括以下步骤(1)根据所述热阻网络模型得到具有未知系数的微电子器件结温表达式；(2)进行热测试获得微电子器件的相关结温数据；(3)提取微电子器件的参数，包括结构参数、材料参数和功耗；(4)建立微电子器件的有限元仿真模型；(5)将有限元模型所得结果与热测试结果对比，对有限元模型进行修正，确保有限元模型的正确性，得到有效有限元模型；(6)进行有限元仿真，得到仿真数据；(7)建立优化函数，对仿真数据进行优化处理，确定微电子器件结温表达式中未知系数的值从而求得各边界条件下器件的结温。对于等温边界条件，结温表达式为Tj=Σk=1nAkiTki+An+1iq,]]>式中Tj为器件的结温，Tk为器件的K表面的表面加权平均温度，q为器件的功耗，Ak、An+1为系数。对于对流边界条件，结温表达式为Tj=Σk=1nAkcTkc+An+1cq,]]>式中Tj为器件的结温，Tk为器件的K表面的面积加权平均温度，q为器件的功耗，Ak、An+1为系数。通过采用红外热成像法或电测法以获得微电子器件的相关结温数据。所述的材料参数主要为材料的热传导率。通过采用通用有限元分析软件以建立微电子器件的有限元仿真模型。所述仿真数据是通过采用有效有限元模型，将微电子器件在实际工程应用环境中所有可能遇到的散热条件归纳为一套典型的边界条件，进行计算机模拟仿真，得到在多种边界条件下器件的温度分布，并采用面积加权平均方法提取器件各特征表面的面积加权平均温度。所述的优化函数为Σk=1n(TjA-TjB)2=min,]]>式中TiA为有限元软件仿真所得结温，TiB为热阻网络模型计算所得的结温，采用表面响应方法进行优化，通过使min值最小来确定等温边界条件和对流边界条件下结温表达式中的系数Ak。与现有技术相比，本专利技术提出了等温边界条件下的器件地本征热阻网络模型和对流边界条件下名义热阻网络模型，建立了独立边界条件的、准确表征微电子封装热性能的热阻网络模型，用于实际环境中工程技术人员预测器件的结温、热设计评价。建立用于集成化热设计的热单元模型，最终为为建立标准IC热模型库。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。图1是本征热阻星形网络示意图。图2是名义热阻星形网络示意图。图3是具体例的本征热阻网络示意图。具体实施例方式请参阅图1和图2，本专利技术的热阻网络采用星形结构表示，用和结相连的代表顶面、侧面、底面和引脚的四个节点构成，各节点与结之间通过支路热阻相连，各支路热阻分别表示顶面、侧面、底面和引脚对器件散热的作用。本征热阻网络和名义热阻网络采用相同的结构，本征热阻网络用于等温边界条件，名义热阻网络用于对流边界条件。下面是微电子器件的建模和结温计算过程(1)对现有热阻定义进行改进，提出微电子封装的热阻网络模型。本专利技术以二维温度场为例，把二维的温度场无限细分，由于无限细分，故对每个细分的单元可采用传统的热阻的定义进行分析。最后采用电路相似原理，证明了等温边界条件下微电子封装热阻和对流条件下封装热阻的本质区别，提出了分别表征微电子封装在等温边界条件和对流边界条件下的本征热阻及名义热阻。具体的表达式为(1)。 对于稳态、线性系统，微电子封装三维温度场可视为由几个二维温度场叠加而成。和上面二维温度场热阻扩展定义相一致，本专利技术相应地将三维温度场热阻定义进行了扩展，如式(2)所示。同样的，等温边界条件所对应的热阻为本征热阻，对流边界条件所对应的热阻为名义热阻。 根据上面的热阻的改进方法，令θjc＝An+1提出了微电子封装在等温边界和对流边界条件下的结温预测公式(即热阻网络的计算公式)对于等温边界条件，采用本征热阻网络模型，结温的预测公式为(3) Tj=Σk=1nAkiTki+An+1iq---(3)]]>式中Tj为器件的结温 Tk为器件的K表面的表面加权平均温度q为器件的功耗Ak、An+1为系数。对于对流边界条件，采用名义热阻网络模型，结温的预测公式为(4)Tj=Σk=1nAkcTkc+An+1cq---(4)]]>式中Tj为器件的结温 Tk为器件的K表面的面积加权平均温度q为器件的功耗Ak、An+1为系数。(2)进行热测试进行热测试获得器件的结温数据，可以采用红外热成像法、电测法等。(3)提取器件的参数，包括结构参数、材料参数、功耗，材料参数主要为材料的热传导率。(4)建立器件的详细的有限元仿真模型；可采用通用有限元分析软件，如ANSYS等。(5)将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热阻网络模型，其特征在于：所述的热阻网络模型为星形结构，它由与封装的微电子器件的结相连的代表顶面、侧面、底面和引脚的四个节点构成，各节点与结之间通过分别表示顶面、侧面、底面和引脚对器件散热作用的支路热阻相连。

【技术特征摘要】
1.一种热阻网络模型，其特征在于所述的热阻网络模型为星形结构，它由与封装的微电子器件的结相连的代表顶面、侧面、底面和引脚的四个节点构成，各节点与结之间通过分别表示顶面、侧面、底面和引脚对器件散热作用的支路热阻相连。2.一种利用热阻网络模型计算微电子器件结温的方法，其特征在于，它包括以下步骤(1)根据所述热阻网络模型得到具有未知系数的微电子器件结温表达式；(2)进行热测试获得微电子器件的相关结温数据；(3)提取微电子器件的参数，包括结构参数、材料参数和功耗；(4)建立微电子器件的有限元仿真模型；(5)将有限元模型所得结果与热测试结果对比，对有限元模型进行修正，确保有限元模型的正确性，得到有效有限元模型；(6)进行有限元仿真，得到仿真数据；(7)建立优化函数，对仿真数据进行优化处理，确定微电子器件结温表达式中未知系数的值从而求得各边界条件下器件的结温。3.如权利要求2所述的利用热阻网络模型计算微电子器件结温的方法，其特征在于，对于等温边界条件，结温表达式为Tj=Σk=1nAkiTki+An+1iq,]]>式中Tj为器件的结温，Tk为器件的K表面的表面加权平均温度，q为器件的功耗，Ak、An+1为系数。4.如权利要求2所述的利用热阻网络模型计算微电子器件结温的方法，其特征在于，对于对流边界条件，结温表达式为Tj=Σk...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱宝军，蒋明，何小琦，杨邦朝，
申请(专利权)人：信息产业部电子第五研究所，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]