3.4.4　热仿真流程及热仿真模型

随着半导体产品更新换代速度越来越快，封装的开发周期也越来越短，为了保证封装体散热性能的一次性成功，热仿真已经广泛应用于封测领域。热仿真可以在产品开发初期对封装体热性能进行预测及优化，确保封装体热性能达标，此外也可以将热仿真模型进一步输出至系统端进行系统级的热仿真。

1. 热仿真流程

热仿真是通过软件模拟的方式来预测封装体热性能的，是评估和优化热性能的有效手段。与大多数有限元仿真相同，在进行热仿真时，先建立热模型并进行材料参数设置，对模型进行有效的网格划分，然后进行有限元求解计算，最后处理仿真结果。下面以ANSYS Icepak为例对热仿真流程进行简要说明。

（1）建立热仿真模型。

通常可以在热仿真软件中使用宏命令或手动建立热仿真模型，也可以将计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）模型转换后导入热仿真软件中，或者将电子设计自动化（Electronics Design Automation，EDA）软件输出的模型导入热仿真软件中。

（2）模型的网格划分。

ANSYS Icepak可使用自带的网格划分工具对建立的热仿真模型进行网格划分，需要将计算区域内的流体区域和固体区域按照合理的网格设置进行划分。根据仿真的需求、模型的特点及计算需要，可以选用结构化网格、非结构化网格、Mesher-HD、非连续性网格和多级（Multi-Level）网格等。

（3）求解计算的设置。

在合理划分网格后，进行相关的求解计算设置，如是否需要考虑热对流、热辐射、热传导，设置与外界热交换的边界条件、各类热源发热功耗，选择瞬态或稳态的求解方式，求解计算的初始条件或初始化值等。

（4）仿真计算及后处理显示。

通过热仿真软件及计算机完成热仿真计算后，热仿真软件自带的工具可以进行多种后处理显示，以便更清晰地展示求解的结果与仿真分析报告。常见的后处理显示有温度云图、速度矢量图、流动的迹线图、不同变量的等值云图、瞬态计算不同时刻变化的各变量云图、不同模型各变量统计量化的具体数值等。

2. 热仿真模型

热仿真建模是仿真过程中非常重要的环节，根据不同的应用需求和运算量，可选择不同的热仿真模型。

（1）详细的热仿真模型。

详细的热仿真模型考虑封装中的细节结构，如四面扁平无引脚（Quad Flat Non-Leaded，QFN）、四面扁平引脚封装（Quad Flat Package，QFP）等IC类封装需要考虑芯片焊盘基岛、引脚、导线等细节；BGA类封装需要考虑锡球、基板线路、过孔等细节，分别如图3-99～图3-101所示。

（2）紧凑模型。

紧凑模型（Compact Thermal Model，CTM）将封装中的结构简化以满足封装体在系统级仿真中的计算要求。在紧凑模型中，详细的基板线路、锡球及过孔等简化为整块的集中结构，如图3-102所示。

（3）双热阻模型。

双热阻模型描述了芯片本身，以及它与周围环境互连的热行为。周围环境的状态不是双热阻模型的一部分，用户需要根据自己的需求定义周围环境边界条件。双热阻模型由JEDEC测试标准中的θJC和θJB组成，如图3-103所示。

测试板节点的定义：与封装外引脚直接接触的环境，通常为PCB。封装外壳节点的定义：与封装外壳直接接触的环境，一般是空气，或者与散热器结合的热界面。双热阻模型中只有封装外壳节点和测试板节点两条路径可以使热量从结面散发到环境中。双热阻模型不考虑封装体侧面的散热路径。

（4）Delphi模型。

芯片封装的Delphi模型是微电子封装的热阻模型之一，包含内部节点与封装体各个面之间的热阻。在常见的电子产品系统级热模拟计算中，应用芯片的Delphi模型可以在保证计算精度的同时，大幅度减少热模拟的计算量，如图3-104所示。