热仿真加速新产品上市

热仿真帮助优化设计

Shah向我们介绍了最近上市的一个产品，他通过仿真评估了很多备用方案，并在样品制造之前，从热性能的角度选取了最优方案。这个产品是以微导线架封装起来的多芯片模块，包含两个晶粒，一个处理器和一个时钟。这个应用的对散热设计的要求非常具有挑战性，因为两个芯片的温度差必须控制在0.1oC或更低。这是因为温差会影响到两个芯片的协同工作，这两个芯片必须在接近一模一样的温度下工作。

Shah考虑了两个主要的设计备用方案。将两个晶粒并排放置在芯片基板上的优势是两晶粒间热阻小，组装成本低，缺点是占用更多电路板空间。另一种方案将两个晶粒重叠安装，优点是节省空间，缺点是高热阻和高成本。Shah 针对不同的方案生成了一系列的热仿真分析模型，用芯片-芯片安装和芯片-基板安装热界面材料两种结构方式来对比这两种设计方案。

如果晶粒温度必须控制在某个具体数字以内，那么主要的挑战是将晶粒间的温度控制到非常低的水平。对每一个设计备选方案，在FloTHERM.PACK在线模式中输入封装尺寸和材料属性，然后，下载生成的模型，导入到FloTHERM中，并选择在-55oC到85oC之间的六个环境温度条件进行热仿真分析，以确保考虑到了所有应用环境。

节省电路板空间

“我分析，并列放置时热性能最好，因为此时两晶粒通过芯片基板在热性能方面是互通的，而且此方案中的热界面材料的导热性比堆叠方案中的明显好很多，”Shah说：“但是运行仿真计算后发现，堆叠方案的热性能却更好！认真查看仿真结果，我决定将导热性更好的界面材料用到堆叠方案中，这样也许能获取到并列排放方案中期望的结果。这个产品将会应用到电路板空间非常珍贵的便携式消费品上，所以使用堆叠方案能够为设备厂商提供巨大的便利。”

Shah总结到：“对于热仿真如何能够改进产品研发流程，这个例子只是很多仿真应用中的一个代表。热仿真帮助避免在设计后期修改设计，避免产品上市延期，帮助我们增加了收入。热仿真也减少了产品研发成本，减少了样品的数量。同时，热仿真帮助从热性能角度评估多个备选方案，对我们如期推出出色的产品贡献巨大。”


图1：塑胶球状网阵排列封装，封装基板有1盎司铜的平面，无散热块。设备功率=3.5W，最高允许芯片温度=125 oC，最高环境温度=70 oC，热仿真结果显示，最高温度接近最高允许温度。


图2：与图1案例相同，但是铜平面改为2盎司，添加了散热块。温度现在远低于最高允许温度，但2盎司铜平面以及散热块增加了成本。


图3：本设计使用2盎司的铜平面，不使用散热块。成本比图2方案略高，但是温度降到了可接受的范围。这是最终设计方案。

作者：Mentor Graphics公司 徐磊