嵌入式BCI-ROM技术：应用于三维CFD电子冷却仿真的降阶热模型

 

 

在本篇文章中，我将为大家介绍一种新颖的降阶建模方法，该方法为电子供应链中的封装热模型交换提供显著的价值。嵌入式BCI-ROM技术能够创建准确的IC封装降阶热模型，用于三维CFD电子冷却仿真研究。嵌入式BCI-ROM几乎和详细热模型一样准确，更关键的是，封装器件的所有内部构造细节（尺寸和材料）均不可见，因此无法通过逆向工程获取到。嵌入式BCI-ROM技术是最新发布的Simcenter Flotherm 2310版本的新功能。请继续阅读，您将了解工程师所面临的热挑战、我们的解决方案、功能演示以及封装热建模准确性的对比。

 

01 在电子供应链中，封装热建模面临哪些挑战？
 

其中影响因素包括：

 

-诸如2.5D、3DIC、基于芯片组的设计等现代封装架构面临着复杂的热管理挑战，需要三维热仿真的解决方案。

 

-在将封装集成到电子产品和系统中时，需进行合适精度的三维热分析，这一点至关重要，尤其是在现代封装复杂性和功率密度增加的情况下。

 

 

在热建模方面存在以下挑战：

 

• 在许多情况下，需要考虑功率变化的瞬态建模，以评估操作场景。

 

• 用于三维分析的全面详细热模型中包含了封装内部的物理几何形状和材料特性，这些是知识产权（IP）敏感的。

 

• 标准化的紧凑热模型（CTMs），如双热阻模型和DELPHI模型，不支持瞬态仿真或多个热源。

 

HDAP封装的详细三维模型，显示了内部几何形状和瞬态仿真中随时间变化的表面温度

 

模型数据交换的障碍、应变方法和热分析的准确性风险：

 

在电子供应链中，知识产权（IP）保护和法律上的顾虑阻碍了热模型的交换。半导体原始设备制造商有时会依赖保密协议来与其主要客户分享详细的热模型，但这种做法在有大量客户时不一定全部适用，并且无法防止知识产权意外泄露。许多公司根本不愿意分享详细模型。

 

在分析过程中，有很大比例的情况下，负责系统中封装建模的热设计工程师很难在有限的项目时间内获得准确的三维封装热模型。他们或许会请求从原始设备制造商提供详细的热模型，采用简化的建模方法，或者根据自己获得的有限信息来创建详细热模型或紧凑热模型。这将导致项目延误，并且常常带来准确性风险。缺乏准确性要么导致设计过度，带来更高的成本，要么造成设计不足，带来可靠性风险。

 

02 什么是嵌入式BCI-ROM技术？它如何应用在三维CFD热分析中？
 

嵌入式BCI-ROM技术,即嵌入式独立于边界条件的降阶模型。

 

 

嵌入式BCI-ROM技术中的BCI部分意味着它可以在任何热环境中使用，这在考虑到将封装热模型集成到不同系统中时是有利的。如果一个模型可以准确地预测空间和时间上温度，而不受其所处的热环境的影响，那么它是独立于边界条件的。它在自然对流、强制对流、有无散热器等情况下都能正确地运行。

 

BCI-ROM技术是由意大利米兰理工大学（Politecnico di Milano）的Lorenzo Codecasa教授开创的集成电路新型热分析模拟工具（FANTASTIC）方法的延伸。

 

 

这种方法有几个宝贵的特征：

 

1）FANTASTIC方法从数学上确保了精度。提取嵌入式BCI-ROM过程中，用户可以设置所需的精度，作为可接受的相对误差。用户在提取模型时还可以设置热传递系数（HTC）范围。

 

2）保证时间和空间上的精度，为瞬态应用提供全面支持。

 

3）该方法支持任意数量的热源，为具有多个芯片的现代封装架构提供了全面支持，以及包含单个芯片上的多个功耗区域的高保真建模方法。

 

新的嵌入式BCI-ROM技术是一种基于BCI-ROM方法的三维分析的降阶模型，在生成过程中分配了额外的细节，并进行了计算，将详细热模型中的上千个对象减少到单个的三维智能部件对象。

 

 

嵌入式BCI-ROM以单个Simcenter Flotherm智能部件的形式导入到三维CFD热分析中。智能部件的表面与固体物体（安装在上面的电路板或散热器）、周围气流以及热辐射环境相互作用。根据嵌入式BCI-ROM的配置，可在三维热分析中为任何热源设置功率，并且在嵌入式BCI-ROM提取过程中，可以在表格或图表上查看表面温度和作为探针设置的关键内部位置的热结果。重要的是，封装内部的三维几何形状和结果是不可见的，也不可能通过逆向工程获取到。

 

03 嵌入式BCI-ROM降阶热模型如何帮助电子热设计？
 

半导体原始设备制造商和封装提供商现在可以向其客户提供准确的3D热分析模型，无需担心泄露敏感IP，而且该模型可用于三维瞬态热分析，并支持多热源复杂封装类型。这消除了IP保护方面的顾虑。随着嵌入式BCI-ROM的日益普及，这也为工程师提供了一个准确的解决方案，他们不用再基于有限的信息，花费大量时间开发自己的CTM或详细模型，从而缩短了他们的工作流程。从逻辑上讲，通过使用嵌入式BCI-ROM进行封装热模型，可以提升三维系统级热建模的准确性，从而使电子产品更可靠，缩短设计周期。

 

下面是依据4个标准，对封装热建模可用选项进行的比较和评估。

 

 

只有嵌入式BCI-ROM模型全部满足这四个标准，能够在安全传输的形式下进行三维热分析。

 

 

04 视频演示: Simcenter Flotherm中嵌入式BCI-ROM的工作流程
 

观看以下视频，您将了解如何创建一个嵌入式BCI-ROM（作为创建者身份），然后将其安装在PCB上，并在Simenter Flotherm系统级模型中进行封装（作为使用者身份）。

 

点击观看视频： https://mp.weixin.qq.com/s/GLH005B4T7_k_x8hwXVLhQ

 

05 在生成嵌入式BCI-ROM之前，如何轻松创建详细热模型？
 

Simcenter Flotherm封装模型生成器（Package Creator）是Simcenter Flotherm XT中的一个工具，它帮助工程师轻松创建准确的详细的、基于三维CAD的电子芯片封装热模型，可以直接用于PCB板和系统级电子冷却仿真。工程师现在可以使用封装模型生成器从常用的封装系列中创建详细的模型几何形状，然后将其直接导出到Simcenter Flotherm，作为基础导出嵌入式BCI-ROM。以下视频包括上个视频用到的Flip Chip BGA处理器封装的创建过程。

 

点击观看视频 https://mp.weixin.qq.com/s/w3hagGriHRUvDxOLEqLsMg

 

注：Package Creator可在Simcenter Flotherm XT中使用。Flexx许可证可用于访问Simcenter Flotherm或Simcenter Flotherm XT。

 

 

06 将嵌入式BCI-ROM的准确性与双热阻（2R）、DELPHI和详细热模型进行比较
 

上面我总结了嵌入式BCI-ROM相对于标准紧凑热模型和详细热模型的差异和主要优势，列出了一个表格，涉及4个标准。为了说明稳态下的准确性，作者对三个不同系统模型进行了分析。每个模型中的多个IC封装最初就是使用详细模型建模的，然后对使用双热阻（2R）、DELPHI和嵌入式BCI-ROM模型进行建模的IC封装进行了相同的稳态仿真。下表通过比较相对于详细热模型结果的最大误差变化，评估模型的准确性。

 

 

根据表格，可以看到相对于详细热模型的结果，嵌入式BCI-ROM的误差明显低于5%，提供了可以与标准DELPHI模型方法相媲美甚至更好的精度水平。嵌入式BCI-ROM支持多个热源和瞬态模拟选项，是DELPHI方法的显著升级。

 

进一步比较详细热模型和嵌入式BCI-ROM的稳态仿真，让我们考虑一个水平安装在封装外壳中的PCB模型。FCBGA处理器上有一个散热器，冷却仅通过自然对流实现。

 

 

以下是同一PCB的平面图，展示了PCB板的顶部和底部。从表面温度和结温曲线的可视化对比结果来看，封装器件的仿真精度非常接近，差异极小。从元件封装模型的准确度比较图来看，最大差异为异常值的2.5%，平均值为<0.9%。这充分证明了嵌入式BCI-ROM技术可以在保证完全保密性的同时实现良好的的精度水平。

 

 

在将嵌入式BCI-ROM与详细热模型进行比较时，对比了超过140个详细热模型，大多数（96%）组件的结温结果在详细组件结果的5%的误差范围内。在许多情况下，相较于详细模型与DELPHI模型的对比，嵌入式BCI-ROM表现相当，甚至更好。

 

07 嵌入式BCI-ROM的瞬态热分析比较

瞬态热仿真越来越成为验证设计热性能和可靠性的要求，模拟产品在使用过程中的特定操作功率模式和条件。

 

在封装示例中使用相同的电路板，设置了一个瞬态仿真案例。将瞬态功率曲线应用于几个元件。对两组元件进行研究，分别为处理器（称为FCBGA）和（称为U3）。其中一个版本使用详细模型进行仿真，另一个使用嵌入式BCI-ROM。

 

以下是两个模型中的元件的温度结果，对详细热模型和嵌入式BCI-ROM进行了比较：

 

 

嵌入式BCI-ROM结果的差异非常小，提供了很理想的瞬态温度预测结果，同时对封装内部的几何形状完全保密。

 

 

08 嵌入式BCI-ROM热建模其他应用示例有哪些？

 

高密度先进封装（HDAP）

 

芯粒

 

功率器件-IGBT

 

本文中提到了一些封装建模应用，以说明嵌入式BCI-ROM建模的广泛应用范围。无论您是在半导体公司工作还是从事热设计，需要将封装集成到电子产品中，如果您对其适用性有疑问，请与我们联系。

 

 

09 客户对于嵌入式BCI-ROM技术有何评价？
 

 

“嵌入式BCI-ROM是与客户分享我们的热模型的绝佳方式。它具有几个关键特点：易于生成、保密性好、误差率低，并且适用于稳态和瞬态应用。”

 

– Jimmy Lin，技术经理，联发科技股份有限公司

 

 

10 建模的关键考虑因素是什么？在哪里可以找到更多指导？

 

对用户来说，阅读有关创建和使用嵌入式BCI-ROM的指南文件，可以确保准确性和稳定性。您可以在西门子支持中心下载验证文件和最佳实践指南。

 

如果您目前未使用Simcenter Flotherm，或者尚未获得BCI-ROM模块的访问权限，请联系上海坤道，以便就您的使用情况提供支持。

 

11 还有哪些其他类型的独立于边界条件的降阶模型（BCI-ROM）？
 

在Simcenter Flotherm的嵌入式BCI-ROM中加入了其他类型的BCI-ROM，以支持在不同的建模环境中利用其独立于边界条件的特性进行快速、准确的热建模。这些其他BCI-ROM支持在独立的电路仿真、一维系统建模软件工具或独立矩阵解决方案中进行电热建模。

 

 

请注意：截至Simcenter Flotherm 2310版本，Simcenter Flotherm目前是唯一支持生成和使用嵌入式BCI-ROM模型的工具。有其他BCI-ROM格式，包括矩阵、电路模拟和系统模拟等，都可以从Simcenter Flotherm、Simcenter FLOEFD和Simcenter Flotherm XT中生成。

 

上海坤道作为西门子数字化工业软件的金牌和专家合作伙伴，多年来专注于热仿真热测试领域，提供三维CFD仿真、系统仿真和热测试等产品和技术支持，帮助客户开发热数字孪生模型，以确保产品热性能可靠性，并实现最低成本、加快产品上市的目标。

 

 

References:

 

L Codecasa, V d’Alessandro, A Magnani, N Rinaldi, PJ Zampardi, “Fast novel thermal analysis simulation tool for integrated circuits (FANTASTIC)”, 20th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems (THERMINIC) article 6972507 United Kingdom, 2014.

 

关于坤道

 

上海坤道成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌|专家（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD/Flotherm Flexx/Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、夹具定制和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。如果您对热仿真及热测试解决方案感兴趣，请与我们联系。

 

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