電子組件的電熱建模與可靠性預測(一)

電子技術(shù)的發(fā)展使得集成度越來(lái)越高。如果1960年電路中只有一個(gè)晶體管的話(huà)，那么現在每個(gè)集成電路硅片中至少有50萬(wàn)個(gè)晶體管。雖然硅片晶體管實(shí)現技術(shù)的進(jìn)步使得晶體管的功耗不斷降低，但硅片上單位面積的功耗卻仍在增加。晶體管數量的迅速增加無(wú)法通過(guò)降低熱量消耗來(lái)補償。事實(shí)上，器件遇到的熱問(wèn)題不是與功率相關(guān)而是與溫度相關(guān)。

　　不過(guò)，熱問(wèn)題卻是功率密度的一個(gè)直接函數。在某些計算機中，單位面積硅片消耗的功率約為500 kW/m2，這完全可與宇宙飛船返回大氣層時(shí)前部所承受的氣流密度相比。在元件的壽命期間，失效原因主要有兩個(gè)：1. 設計因素與/或內部構成;2. 元件所處環(huán)境的影響。氣候約束主要源于溫度、濕度、氣壓和太陽(yáng)輻射。

　　所有電子元件都對溫度敏感：超出極限溫度時(shí)它們的性能將變得很差，如果溫度大大超出工作溫度范圍，元件可能會(huì )損壞。工作溫度是由制造商規定的，一般情況下為： * 工業(yè)級：0～70 °C; * 民用級：-20～+85 °C; * 軍用級：-55～125 °C。

　　制造商通常都會(huì )指出最大工作溫度。這個(gè)溫度的影響體現在以下方面： (a) 電性能：該溫度可能是一個(gè)極限值，超出這個(gè)溫度將無(wú)法保證正常工作。參數漂移將導致不同程度的性能降低，直至失效;(b) 封裝會(huì )受到溫度劇烈變化的影響。在臨界溫度，元件的物理結構將發(fā)生狀態(tài)改變。溫度變化會(huì )加速材料約束的蠕變和松弛，并可能導致失效;3. 膨脹系數不同的多種材料相互聯(lián)系的熱循環(huán)會(huì )引起非常顯著(zhù)的應力，有可能導致瞬間斷裂，或者引發(fā)長(cháng)期而言將導致斷裂的疲勞。

　　因此，冷卻電子元件的目的是為了讓每個(gè)元件處在額定的工作溫度范圍之內。

　　這就是EPSILON Ingénierie公司使用電子器件熱仿真軟件REBECA-3D時(shí)，所面臨的熱模擬挑戰。

　　REBECA-3D軟件

　　REBECA-3D(三維應用可靠邊界元傳導分析軟件)對由傳導交換所驅動(dòng)的熱傳遞進(jìn)行仿真。由于采用了邊界元方法(Boundary Element Method，BEM)，REBECA-3D既是一個(gè)設計工具，又是一個(gè)建模工具。它比經(jīng)典方法給出了更為精確和可靠的結果。下面將介紹這個(gè)三維軟件的獨創(chuàng )性，以顯示其重要性。在電子元件領(lǐng)域，精確了解熱性能具有關(guān)鍵意義。例如，它對更好地預測元件在其所處環(huán)境中的性能和可靠性有著(zhù)重要的影響。

　　研究熱性能必須使用建模工具。強大和精確的參數分析工具顯然需要調整幾何、電子和熱參數。REBECA-3D在各種數值方法中選擇了邊界元法，因為它允許顯著(zhù)降低模型的幾何復雜度，這種方法也適合通過(guò)很少的計算來(lái)進(jìn)行敏感度研究。