Home > Icepak教學 > SIwave-Icepak Link and MTTF Analysis by SIwave

 

本文始於2021，並於2022更新，介紹如何在SIwave操作環境下做SIwave-Icepak電熱雙向耦合模擬[1][2]：一種讓電性工程師沒有任何困難地，可輕易從電跨到熱模擬的流程。

-- 新增8.3, 8.8, 8.9 -- 2022.01.07

1. Electrothermal Analyses Flow

2. DC IR Analysis Setup

3. Check Result

4. Thermal Analysis Setup

5. Check Result

   5.1 Conduction (PCB Only - no components)

   5.2 Convection (Components optional)

6. EM MTTF Setup

7. Check Result

8. Q&A

   8.1 做電熱耦合分析需要什麼license?

   8.2 MTTF中Ea與n這兩個係數該如何設定?

   8.3 如何從SIwave匯出AEDT Icepak 3D模型?

   8.4 為何同一導體材質，在不同論文中可能使用不同的Ea參數?

   8.5 本文介紹的SIwave-Icepak模擬流程，適合分析打線的熱嗎?

   8.6 步驟5.2中，2019R3與2021R2的溫度分別是135.8與147^oC，這差異11^oC從何而來?

   8.7 如何在SIwave內建立參數化的散熱片，並於Icepak模擬時考慮其對元件的散熱效果?

   8.8 步驟2中SIwave-Icepak自動匯入的.sitemp熱分佈檔，可在AEDT Icepak中單獨產生嗎?

   8.9 在新版SIwave options內設定，與用功能選單[Temperature Profile]匯入.sitemp，有何不同?

   8.10 步驟3中，為何就算勾選了[All Bondwires/Vias]還是看不到bondwire/via/ball上的電流密度?

9. Reference

1. Electrothermal Analyses Flow

   自2016起，SIwave R17操作介面內可以直接呼叫Icepack，做電熱耦合雙向分析(2-way coupling)。 [1][2]

   自2021起，只要安裝SIwave，不須再裝Icepak，即可做電熱耦合雙向分析(2-way coupling)。 License required

   下圖是2021R1 SIwave環境下的相關分析功能(DC IR/MTTF/Icepak)所在位置，本文將逐一介紹。

   

   必須解過DC IR分析並勾選[Export power dissipation for use in ANSYS Icepak ...]，Icepak才可以使用(功能按鈕從灰色轉彩色)

   

2. DC IR Analysis Setup

   

   

   雖然一開始選[Set uniform design temperature to ...]，當後續步驟四執行Icepak熱分析時，這裡的設定會自動切到[Import temperature map from Icepak]讓SIwave-Icepak的求解後資料可以互相傳遞，repeat simulation until DC convergence (iteration)。

3. Check Result

   

   如果要色階顯示單位，必須只指定顯示Iv/J/V/P其中之一。

   Bondwire與Via也能plot current/voltage，但必須在上圖右下的對話框內勾選顯示。

   還有其他許多DC分析的輸出結果，讀者自行試試，我就不多說了：

   Plot Icepak Power Map ... 通過via的power被分到相鄰的layers (Metal-1, Metal-2)計算

   

   Display Element Data ... 可以看每個bondwire/via的個別阻抗，還有電流是否超過安全耐流質

   Export Power Tree ... 以樹狀分支的方式顯示每一條power path的電流與IR drop狀況

   Loop Resistance Info.

   Path Resistance Matrix ... 看這裡的結果就了解為什麼一開始要在電阻兩端加terminal (NET1_R, NET2_R)的原因



4. Thermal Analysis Setup

   

5. Check Result

5.1 Conduction (PCB Only - no components)

Temperature Plot (2D)

5.2 Convection (Components optional) 模擬時間較長

5.2.1 Icepak Setup

5.2.2 R19.3與2019R3版本的輸出下圖所示：最高135.8度

5.2.3 2020R2與2021R1的輸出：最高448度 (這是錯的，有workaround方法，且2021R2已修正)

5.2.4 2021R2輸出結果：最高147度 ... why 135.8 vs. 147 difference ? Refer to 8.6

[Convention]求解結果的最高溫度135/147^oC明顯大於[Conduction] 20.5^oC，這是因為前者才有考慮1A流過串聯電阻R_1(2 ohm)的2W功耗所造成的熱，而這功率損耗遠大於Metal-1/2/3各層的功率損耗(約1000倍)。

6. EM MTTF Setup

   MTTF(Mean Time to Failure)也就是產品使用壽命預估，又稱電遷移分析(Electromigration Analysis)。

   雖然這是SIwave 2019新功能，但其背後所依據的Black's Equation卻歷史悠久，最早源於1969 [3]，其後有很多的研究，在此推薦參考[4], [6]。以下是SIwave HELP內的說明：

   

   Black's equation說穿了就是以考慮導體上的"(DC)電流密度"J，與"溫度"T這兩個參數，透過Ea (activation Energy活化能)與n(經驗係數)估算出導體會發生電子遷移(導體損壞、產品掛掉)的預估使用時間(lifetime)。

   SIwave-Icepak僅計算DC電流(穩態電流/平均電流)，對應到MFFT估算的是"平均"失效時間。

   必須解過DC IR分析並勾選[Mesh Bondwires]、[Mesh vias]，MTTF才可以使用。

   

7. Check Result

   

8. Q&A

8.1 做電熱耦合分析需要什麼license?

Ans：需要SIwave與Icepak license 或 Enterprise license (2020新)

8.2 MTTF中Ea與n這兩個係數該如何設定?

Ans：從SIwave HELP與[4][6]可知n值設1~2之間，並隨電流密度越大而越大，參照如下默認三檔設定即可。另外，做MTTF模擬時，溫度可以是由使用者自行設定(沒有Icepak時適用)，或來自Icepak的計算結果。

各種基板常用導體材料，Ea該設多少?

參考[4][8]得知銅(Cu)的活化能分別是取0.84eV與0.79eV

參考[5][7]得知金(Au)的活化能分別是取1.523eV與1.1~1.26eV

參考[6]得知鋁(Aluminum)的活化能大約0.9eV，鎢(Tungsten)的活化能大約1eV

參考[4]得知無鉛製程(Sn/Ag)的Ea、n較難估計, 其範圍大約在n=1~2, Ea=0.68~1.07eV。但有些比較特殊的，如Sn-3.5Ag的n=4.6 特高，表示EM lifetime很短(很差)

Ea(活化能)的單位依維基百科說明是[焦耳/摩爾]，但MTTF論文都是用eV(電子伏特)，其與焦耳的關係是：1eV=1.6e-19 J。因Black's Equation是考慮流過導體截面的電流密度(J單位是A/cm²)，與讓其產生電子遷移所需的能量(Ea)，故後者不需以單位體積表示。

8.3 如何從SIwave匯出AEDT Icepak 3D模型?

Ans：[Export] \ [Icepak]

軟體會自動產生一個3D layout設計與一個Icepak設計，前者的3D模型與SIwave內定義相同，而後者則是等效簡化模型，且不含打線結構。

若要真實(無失真的)PCB 3D模型，或是需要考慮打線結構的熱模擬，請參考Q3D-Icepak模擬流程。

若要生成3D PCB時含3D元件模型(如上圖右所示)，於SIwave內的Icepak模擬設定中，[Thermal Simulation Type]請選"Convection (Components optional)"

若想在此AEDT Icepak還環境下檢視原始layout，請選擇[3D Components]的該PCB，按右鍵打開[Properties]設定視窗，從[Visualization]把想看的層別打開即可。

8.4 為何同一導體材質，在不同論文中可能使用不同的Ea參數?

Ans： 導體材料的Ea，是在實驗室做長時間的可靠度測試，再以大量實驗數據與理論公式擬合(fitting)得到，故其確實會隨不同的產品結構與使用情境而不同。

8.5 本文介紹的SIwave-Icepak模擬流程，適合分析打線的熱嗎?

Ans：不行。(另文介紹bondwire/via的電熱耦合模擬該怎麼看，Q3D-Icepak或Q3D-Mechanical)

雖然SIwave內可以顯示打線(Bondwire)上的電流，但這電流跟via上的電流一樣，並無法透過SIwave傳給Icepak的power map，正確反應其熱在空間上相對的位置。

過孔的功率損耗帳會算在相鄰導體層該過孔的位置，同樣地，打線的功率損耗帳會算在打線落點(finger)位置。由於打線一般比起過孔長度長很多(貢獻功率損耗影響熱分佈較大)，這種以2.5D近似的方式反映PCB的熱分佈還行，但若碰到要分析打線的熱分佈狀況就不行。

下圖左邊是本文沒有打線的例子，下圖右邊是多加一段8.2mm長的打線的例子(同樣抽1A電流負載)

做[conduction]模式下的電熱耦合分析，power map如下。可以看出右邊metal1的功率損耗大大增加

Icepak算出的熱分佈完全不同，原因就是：Icepak考慮右邊bondwire的熱都集中在打線落點處
(下圖左20.5度，下圖右卻是3181度完全不對)

上圖右不只整個熱點分佈不對，還會遇到兩個問題(雖然可以display temperature)：

求解過程會遇到以下錯誤訊息，警告Icepak在[conduction]求解模式下所考慮的背景空間天花板沒有辦法涵蓋打線



還會遇到以下訊息：警告解出的溫度超過1000



大部份封裝的散熱分析透過考慮等效導熱率、疊構、錫球密度與位置，即可做得很好。

8.6 步驟5.2中，2019R3與2021R2的溫度分別是135.8與147^oC，這差異11^oC從何而來?

Ans：有兩個原因，但主要是網格分佈的質量

• 2019R3針對元件的溫度只以2D顯示，但2021R2針對元件的溫度則是以3D顯示
• 同一檔案R19.3與2019R3解完Archive後的檔案大小都是201M，但2021R2的檔案大小卻是138M。

新版不但求解後的檔案較小，求解速度也較快。透過與Q3D-Icepak的測試比對，135.8度比147較為準確，因為只要多佈一些網格，溫度就會下降。這其實就是在提供一個怎樣的默認求解環境(條件)給電性工程師做熱模擬，在速度與準度間的平衡。
SIwave-Icepak模擬流程採用"trace mapping"技術，以等效導熱率的方式簡化PCB幾何結構的複雜度。

另外，5.2.1步驟中[Cabinet Size]背景空間的大小設定，對SIwave-Icepak影響不大，但對於Q3D-Icepak卻可能影響很大(如果Mesh沒設定好)。例如我們把[Padding Perpendicular Flow]從25%改成300%，因為Flow設定方向是+X，所以代表Y/Z方向的空間擴展會加大。

這樣在SIwave內看到的最大溫度只會略為不同：Z方向背景空間距離近(25%)的情況最大溫度147度，Z方向背景空間距離遠(300%)的情況最大溫度150.9度(只增加3.9度)。

SIwave-Icepak的[Simulation Setup]內的Meshing Detail設定，請設定[Detailed]即可，不需要設到[Exaustive]

使用SIwave-Icepak默認的Mesh設定，不論有沒有考慮元件熱的題目，得到的溫度都不會太離譜，這對初次接觸電熱模擬的電性工程師來說是友善的，但在SIwave介面下無法很有彈性的調整網格至最佳。使用Q3D-Icepak時，如果有考慮元件熱，Mesh必須加強，或背景空間不能太大，否則得到的溫度會過高，但對於有經驗的工程師，此環境下有機會透過指定網格得到更精確的結果。

8.7 如何在SIwave內建立參數化的散熱片，並於Icepak模擬時考慮其對元件的散熱效果?

Ans：PCB上必須先有建立元件(component)，才能設定(放)散熱片，因為散熱片是加在元件上的。

在SIwave的[Advanced]標籤頁下選擇[Heatsinks]

上圖按[確定]後，就可以在SIwave操作畫面下看到(默認大小的)3D元件與散熱片(Heat Sink)模型貼在U1上面。

當DC IR模擬完，接著進行Icepak模擬時，於步驟四選擇Convection (Components optional)，然後[Component Configuration]此頁的設定就可以使用，用於修改"元件"本身的3D模型大小(非散熱片大小)。

上圖中U1與R1都可以勾選[Include]，但只有U1可以勾選[Heat Sink]，因為只有U1才是元件(component)。

R1的power Dissipation是軟體根據1A流過2 ohm計算出2W功率損耗，我們拿這值直接填給U1。原U1的功耗軟體默認值是0.25W，該值必須靠使用者根據元件實際使用狀況輸入，SIwave會根據P=I*V自動計算電阻的功耗。而這自動估算元件功耗能力只適用於電阻，LC元件則無。

以滑鼠選定散熱片，在屬性視窗中可以修改其結構參數，得到可參數化的散熱片。

8.8 步驟2中SIwave-Icepak自動匯入的.sitemp熱分佈檔，可在AEDT Icepak中單獨產生嗎?

Ans： 不行。目前這.sitemp檔只有在SIwave-Icepak模擬程序完成後，於SIwave工作路徑下自動生成

...\xxx.siwaveresults\0003_Icepak_Sim_2\SIwaveIcepakProj\board.1.sitemp

單獨執行AEDT Icepak模擬時，並不會產生.sitemp，此檔只有在SIwave-Icepak模擬程序中用來傳遞溫度分佈的定義。

8.9 在新版SIwave options內設定，與用功能選單[Temperature Profile]匯入.sitemp，有何不同?

Ans： 在2022R1的SIwave options設定中，多了如下的[Temperature]設定標籤，1、2處使用的.sitemp格式相同

而下圖從[Import] \ [Temperature Profile]匯入.sitemp的方式，僅供SIwave"顯示"溫度分佈之用，solver並不會使用。如果是要讓DC/SYZ solver使用的.sitemp匯入方式，請從SIwave options內的設定匯入。

8.10 步驟3中，為何 就算勾選了[All Bondwires/Vias]還是看不到bondwire/via/ball上的電流密度?

Ans： 如果你像下圖看不到Bondwires/Vias位置的電流密度J

請暫時先取消各layout層的顯示即可清楚看到

9. Reference

   [1] Electro-thermal Analyses of a PCB - Part I

   [2] Electro-thermal Analyses of a PCB - Part II

   [3] J. R. Black, "Electromigration-A Brief Survey and Some Recent Results", IEEE Trans.on Electron Devices, April 1969.

   [4] Lou Nicholls, "Comparative Electromigration Performance of Pb Free Flip Chip Joints with Varying Board Surface Condition", Electronic Components and Technology Conf, 2009.

   [5] Y. Zalaoglu, "An effective research for diffusion annealing temperature and activation energy in Au surface-layered Bi-2212 ceramic composites", Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2017.

   [6] Xiaoxin Zhu, "Progress in the Development of an Electro-migration Modelling Methodology", 10th World Congress on Computational Mechanics, May 2014.

   [7] C.L. Gan, "Reliability Assessment and Activation Energy Study of Au and Pd-Coated Cu Wires Post High Temperature Aging in Nanoscale Semiconductor Packaging", J. Electron. Packag. June 2013.

   [8] C.W. Park, Activation energy for electromigration in Cu films, AIP Publishing LLC., 1991.