文章来源于：西门子官网

在这篇博客中，我将介绍一种新颖的降阶建模方法，这种方法可为电子供应链中的封装热模型交流增添重要价值。嵌入式 BCI-ROM 技术能够创建精确的集成电路封装降阶热模型，可用于三维CFD 电子冷却仿真研究。嵌入式 BCI-ROM 的精确度接近于详细的热模型，最重要的是，封装的所有内部结构细节（尺寸和所用材料）都不公开，因此无法进行逆向工程。嵌入式 BCI-ROM 技术是最近发布的 Simcenter Flotherm 2310 软件的一项新功能。请继续阅读，了解热挑战、解决方案、演示和封装建模精度比较。 

• 现代封装架构，如2.5D、三维封装IC、基于小芯片的设计，具有复杂的热管理挑战，需要三维热模拟来解决。

• 将封装的芯片集成到电子产品和系统的过程中，以适当的保真度进行3D热分析对于具有复杂封装结构和更高功率密度的封装芯片来说更为重要。
  

热建模挑战: 

• 在许多情况下，为了评估真实工作场景，需要考虑功率变化的瞬态建模。 

• 用于三维热分析的完整详细的热模型包含对知识产权（IP）敏感的封装内部的物理几何结构和材料特性。

• 标准化紧凑型热模型（CTM），如双热阻模型和DELPHI模型，不支持瞬态模拟或多个热源。 

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

模型数据交换的障碍、典型变通方法和分析保真度风险: 

知识产权保护和法律考虑因素为电子产品供应链中的热模型交流制造了障碍。半导体原始设备制造商有时会依靠保密协议与主要客户共享详细的热模型，但这并不总能扩展到向大量客户供货，也无法防止知识产权的意外泄露。许多公司根本拒绝共享详细模型。 

在很多典型的分析过程中，对系统中的封装进行建模的热工程师都很难在项目时间限制内获得适当精确的三维封装热模型。他们可能会根据要求从原始设备制造商处获得详细的热模型，可能会采用简化建模方法，也可能仅利用有限的信息创建自己的详细热模型或紧凑型热模型。 这不仅会造成延误，而且往往会在缺乏准确数据的情况下带来不准确性。不准确会导致潜在的设计成本过高或设计可靠性不足的风险。 

嵌入式BCI-ROM = 可嵌入的边界条件无关降阶模型。

嵌入式 BCI-ROM 的 BCI 部分意味着它可以在任何热环境中使用，这在考虑将封装热模型集成到不同系统中时非常有利。如果一个模型能在空间和时间上准确预测温度，而不受所处热环境的影响，那么它就是 BCI 模型。它可以在自然对流、强迫对流、有无散热器等情况下都正常工作。 


BCI-ROM 技术是意大利米兰理工大学 Lorenzo Codecasa 教授首创的集成电路新型热分析模拟工具 (FANTASTIC) 方法的延伸。本文底部的参考文献中包含了对该方法进行总体描述的文章。










这种方法具有以下几个宝贵的特点: 

1) FANTASTIC 方法从数学角度确保了精确度。在提取可嵌入式 BCI-ROM 时，用户可将所需精度设定为可接受的相对误差。热传导系数 (HTC) 范围由用户在提取降阶模型时设定。 

 

2) 确保空间和时间精度，为瞬态应用提供全面支持。 




3) 该方法支持任意数量的热源，可全面支持具有多个芯片的现代封装结构，以及包含单个芯片上多个功率耗散区的更高保真建模方法。 

新的可嵌入式 BCI-ROM 是一种适用于三维分析的降阶模型，它基于 BCI-ROM 提取方法，在生成过程中分配了额外的细节并进行了计算，从而将详细热模型下的数千个对象缩减为单个三维智能部件对象。 







嵌入式 BCI-ROM 可作为单一 Simcenter Flotherm 智能部件导入三维热分析中。嵌入式降阶模型智能部件的面与其他实体（如电路板或置于其上的散热器）、周围气流以及热辐射环境相互作用。根据嵌入式 BCI-ROM 的配置方式，可在三维热分析中为任何热源设置功率，并以表格或图表的形式查看表面温度以及在嵌入式 BCI-ROM 提取过程中作为探针设置的关键内部位置的温度结果。重要的是，无法访问软件包内部的三维几何图形和结果，也无法进行逆向工程。 






嵌入式 BCI-ROM 降阶热模型如何帮助电子热设计?




半导体厂商和封装供应商现在可以向客户提供精确的三维热分析模型，而不会有暴露敏感 IP 的风险，该模型可用于三维瞬态热分析，并支持有多个热源的复杂封装类型。这消除了知识产权保护方面的顾虑。随着嵌入式 BCI-ROM 模型的日益普及，这也为花费大量时间自行开发 CTM 或信息有限的详细模型的工程师提供了精确的解决方案，缩短了他们的工作流程。从逻辑上讲，通过使用嵌入式 BCI-ROM 制作封装热模型来改进精确的三维系统级热建模，将带来更可靠的电子产品和更短的设计周期。




以下是对现有封装热建模选项的比较，根据 4 项标准对适用性进行评估。 






只有嵌入式 BCI-ROM 模型才能满足以安全可传输形式进行三维 热分析的所有 4 项标准。









视频演示：Simcenter Flotherm 软件中的
可嵌入式 BCI-ROM 工作流程

观看以下视频，了解如何创建嵌入式 BCI-ROM（作为创建者角色），然后将其安装在系统级 Simenter Flotherm 模型外壳中的 PCB 上（作为使用者角色）。









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在生成嵌入式 BCI-ROM 之前，如何轻松创建详细的热模型?

Simcenter Flotherm XT 中的 Simcenter Flotherm Package Creator 可帮助工程师在数分钟内轻松创建精确、详细、基于三维CAD 的芯片封装热模型，以便直接用于板级 和系统级电子热仿真。工程师现在可以在 Package Creator 中创建流行封装系列的详细几何模型，然后将其直接导出到 Simcenter Flotherm，以创建详细模型作为导出嵌入式 BCI-ROM 的基础。以下视频包括上述演示视频中使用的倒装芯片 BGA 处理器封装的创建过程。

注：Simcenter Flotherm XT 中提供Package Creator。可使用 Flexx 许可访问 Simcenter Flotherm 或 Simcenter Flotherm XT。

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比较嵌入式 BCI-ROM 与 双热阻、DELPHI模型 和详细热模型的精度




以上我总结了嵌入式 BCI-ROM 与标准精简模型和详细热模型的区别和主要优势，并针对 4 个标准列出了表格。 为了说明稳态下的准确性，对 3 个不同的系统模型进行了分析。每个模型中的一些封装最初使用详细模型建模，然后使用 2R、DELPHI 和嵌入式 BCI-ROM 模型对集成电路封装进行相同的稳态模拟。下表显示了与详细热模型结果相比的最大误差变化的精度。













从表中可以看出，与详细热模型结果相比，嵌入式 BCI-ROM 的误差远小于 5%，其精确度与标准 DELPHI 模型方法相同，甚至更高。嵌入式 BCI-ROM 支持多个热源和瞬态模拟选项，是 DELPHI 方法的重大升级。 

在对详细热模型和嵌入式 BCI-ROM 的稳态比较进行仔细研究时，让我们考虑一个水平安装在外壳中的印刷电路板模型。FCBGA 处理器上有一个散热器。冷却方式仅为自然对流。



下图是同一电路板的平面图，显示了电路板的顶部和底部。从表面温度和结温图对比（右图）可以看出，封装的精度接近，结果差异很小。从元件封装模型的精度比较图来看，最大差异为离群值的 2.5%，平均差异小于 0.9%。这有力地证明了嵌入式 BCI-ROM 在完全保密的情况下可以达到可接受的准确度水平。


在将嵌入式 BCI-ROM 与详细热模型进行比较时，在 140 多个详细热模型中，大多数 {96%} 组件的结温结果相比详细模型结果，误差都在5%以内。在许多情况下，这与详细模型和 DELPHI 模型的结果相当，甚至更好。

高密度先进封装 (HDAP)

芯粒

针对用户：创建和使用可嵌入式 BCI-ROM 的指导文件可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。 

Simcenter Flotherm 中的嵌入式 BCI-ROM 与其他类型的 BCI-ROM 一样，利用其与边界条件无关的特性，支持在不同建模环境中进行快速、准确的热建模。这些其他 BCI-ROM 支持在独立电路仿真、一维系统建模软件工具或其他单独解决方案中进行电热联合仿真。