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。对电解电容进行明确建模有助于防止超过最高温度 ¹。

      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。

02 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在设计期间逐步更改，因此需要定期重新检查。

      例如，西门子 EDA 的 Xpedition AMS 可用于估算元器件的功率，它将电子电路仿真扩展到标准的时域和频域分析之外，如今还可以实现 Xpedition 电路板设计流程中的高级性能仿真和虚拟系统内验证，包括电热仿真。

03 使用正确的封装热模型

      白皮书《简化PCB 热设计的10大技巧》^*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^*，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。热管理解决方案可以涵盖电路板设计问题，例如通过使用热通孔将热量传导到埋在地下的地平面。

* 在设计早期，“高温”所指的设计安全裕量相当大。

* 白皮书《简化PCB 热设计的10大技巧》在官网资料中心获取

04 尽早在设计中使用简化热模型

      《简化PCB 热设计的10大技巧》讨论了在选择封装之前，要对元器件进行精确建模，并在热设计中使用元器件的三维图。引入了双热阻简化模型和 DELPHI 简化热模型。下面将更详细地讨论这些模型和其他热模型的预测精度。

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，它不需要任何其他网格，因此对仿真时间无不利影响。虽然其计算量最小，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将维持近等温状态。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³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 Simcenter Micred T3STER 硬件创建一个考虑这种情况的 RC 阶梯热模型。

      Simcenter Micred 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 中的网络组件。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 有限公司在二十世纪 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。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。与双热阻模型一样，它们只包含热阻，所以只能用于稳态模拟。

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和焊球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。使用的几何形状和材料属性正确的话，此类模型可提供极高的保真度。

图 3：芯片封装的详细热模型

      对于需要散热器、风扇组件或导热垫等特定热管理解决方案的元器件，应当详细建模以便正确优化散热解决方案。例如，就散热器而言，众所周知，封装内的温度分布会影响散热器内的温度分布，反之亦然。⁴为此，建议针对此类用途使用详细封装热模型。

      详细模型的另一个优点是可以预测焊接互连的温度。热机械剪应力加上温度变化，是影响焊点寿命的主要压力源。

图 4：显示了个别焊球的 BGA 封装下侧的温度分布

BCI-ROM

      就预测元器件温度方面，最近的先进技术是使用降阶模型，即 ROM。ROM 现在可独立于边界条件 (BCI) 创建，而不用针对某个特定的热环境⁵。这就意味着，BCI-ROM 可由封装供应商独立于热环境创建，并提供给最终用户用于模拟特定的热环境。它们的格式有原始矩阵、SPICE、VHDL-AMS 和 FMU。Simcenter 内部有一系列 BCI-ROM 的编创选项。

      BCI-ROM 还有其他理想的特征：