热设计工程师:仿真和现实

在试图解答许多“假设”问题时,我们可以寻求实际测试结果或者依靠仿真。我们能信任仿真吗?

大量的热分析工作都与执行“假设”分析息息相关。例如,如果我有一个带散热组件的PCB,那么我很可能就想知道这些组件的工作温度。但假设我增加更多组件呢?假设我把它们安装得更紧密呢?假设我增加一台冷却扇呢?这会带来什么不同?

同样,作为一家MOSFET制造商,我们有时候可能想要了解改变封装设计或者更改封装材料等带来的热结果。

当然,我可以通过构建并测试实际原型来回答这些问题,在设计流程中的某些阶段,我的确会这样做。但在设计或可行性研究的早期阶段,利用仿真软件进行调查会更有效果,可方便更改配置和迅速看到分析结果。我们在这里使用的热仿真软件包是Mentor Graphics的FloTHERM®(也可使用其他仿真软件包),允许在3D CAD环境中构建热模型并进行仿真。

这里遇到的一个明显的问题就是:我们是否相信通过仿真可以得到准确合理的答案?我会说“是”,有两个原因:

  • 我们完全理解支撑仿真的物理原理,并且
  • 编写软件的人员大致了解自己的工作内容。

所以,假设我们正确使用软件,就应该能得到比较可信的结果。即便这样,时而执行一些校准或“完整性检查”也是不错的,我将在这篇博文中分享其中一个实践案例。

实际示例

在这个实践案例中,我们在整体尺寸相同但铜片面积不同的PCB上安装完全相同的MOSFET器件。参见图1和表1

电路板标识符 顶部铜片区域(mm x mm) 内部上面铜片区域(mm x mm) 内部下面铜片区域 底部铜片区域(mm x mm)
427-A 40 x 40
427-B 40 x 40 40 x 40
427-C 40 x 40 40 x 40 40 x 40 40 x 40
427-G 12 x 12

表1.测试板层概述

PCB安装在仿真软件(图3)中重建的试验夹具上(图2)。

图3.在仿真软件中重建的试验夹具

对于每个PCB配置,MOSFET设备都可通过1 W恒流电源驱动器件都承载1W的恒定功率,并且可达到稳态温度。每个MOSFET晶圆上都有经过校准的片上温度传感器,允许在稳态情况下测量极准确的结温(TJ)。记录每次测量的环境温度也同样记录。然后在仿真软件中重建四个PCB,芯片功耗设置为1 W并记录稳态温度。在表2中记录实际和仿真结果,以JEDEC标准JESD51系列中描述的热阻表示。

 电路板标识符

测量的Rth j-a (K/W) 仿真得到的Rth j-a (K/W) 误差(%)
427-A 30.3 30.8 +1.7
427-B 26.3 28.3 +7.6
427-C 24.1 26.0 +7.9
427-D 49.3 57.9 +17.4

表2.概述仿真和实验结果,并计算误差

那么,我们是怎么做到的?

其中,A、B和C电路板非常接近测量结果,但G电路板还需要一些处理。我们必须牢记,并非所有仿真输入参数都准确无误——材料的热-物理属性尤其如此

还要记住的是,我们的实际测量可能并不完美:所有实际测量设备都存在一定程度的测量误差。本文所剩篇幅不多,无法详细探讨这些潜在误差,但我们在未来的博文中一定会讨论这个主题!

下一篇博文:仿真如何帮助我们快速了解设备芯片内的情况。

Christopher Hill

Chris是安世半导体功率MOSFET团队的应用工程师,拥有多年丰富的经验,曾经处理过大量的功率半导体设计导入挑战。这些挑战中的一个老生常谈的问题就是“热”,因此,他在工作中投入了大量的精力去解决热性质的问题。他撰写了许多会议论文、杂志文章和应用笔记,涉及多个不同的功率半导体主题。