電子組件的電熱建模與可靠性預(yù)測(一)

電子技術(shù)的發(fā)展使得集成度越來越高。如果1960年電路中只有一個晶體管的話，那么現(xiàn)在每個集成電路硅片中至少有50萬個晶體管。雖然硅片晶體管實(shí)現(xiàn)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(shù)量的迅速增加無法通過降低熱量消耗來補(bǔ)償。事實(shí)上，器件遇到的熱問題不是與功率相關(guān)而是與溫度相關(guān)。

　　不過，熱問題卻是功率密度的一個直接函數(shù)。在某些計(jì)算機(jī)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：1. 設(shè)計(jì)因素與/或內(nèi)部構(gòu)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，元件可能會損壞。工作溫度是由制造商規(guī)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。

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

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

　　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(zhàn)。

　　REBECA-3D軟件

　　REBECA-3D(三維應(yīng)用可靠邊界元傳導(dǎo)分析軟件)對由傳導(dǎo)交換所驅(qū)動的熱傳遞進(jìn)行仿真。由于采用了邊界元方法(Boundary Element Method，BEM)，REBECA-3D既是一個設(shè)計(jì)工具，又是一個建模工具。它比經(jīng)典方法給出了更為精確和可靠的結(jié)果。下面將介紹這個三維軟件的獨(dú)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(yù)測元件在其所處環(huán)境中的性能和可靠性有著重要的影響。

　　研究熱性能必須使用建模工具。強(qiáng)大和精確的參數(shù)分析工具顯然需要調(diào)整幾何、電子和熱參數(shù)。REBECA-3D在各種數(shù)值方法中選擇了邊界元法，因?yàn)樗试S顯著降低模型的幾何復(fù)雜度，這種方法也適合通過很少的計(jì)算來進(jìn)行敏感度研究。