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(gè)晶體管的話，那么現(xiàn)在每個(gè)集成電路硅片中至少有50萬個(gè)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(gè)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(gè)：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(duì)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(guī)定的，一般情況下為： * 工業(yè)級(jí)：0～70 °C; * 民用級(jí)：-20～+85 °C; * 軍用級(jí)：-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(xiàn)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(huì)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(huì)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(huì)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(zhǎng)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(gè)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(duì)由傳導(dǎo)交換所驅(qū)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(shè)計(jì)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(jié)果。下面將介紹這個(gè)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(duì)更好地預(yù)測(cè)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。

?

　　1. REBECA-3D的應(yīng)用領(lǐng)域

　　REBECA-3D的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括： (a) MEMS/MST; (b) 微觀三維結(jié)構(gòu)(硅和砷化鎵); (c) 封裝; (d) MMIC、HEMT器件; (e) MCM (多芯片模塊、倒裝芯片……); (f) 合成器件(薄膜/厚膜/MIC……); (g) 功率電子模塊; (h) 光電器件;

　　2. REBECA-3D的獨(dú)創(chuàng)性

　　REBECA-3D的獨(dú)創(chuàng)性與其采用的數(shù)值方法緊密相關(guān)。REBECA-3D建立在邊界元法的基礎(chǔ)上，這種數(shù)值方法的采用直接帶來了大量的優(yōu)勢(shì)和全新的可能。

?

　　正如Sevilla大學(xué)的Dominguez教授所說：“邊界元法已成為替代有限元法(以及有限差分法等)的一種功能強(qiáng)大的方法，尤其是在需要更高精度的時(shí)候?！贝送?，“在許多工程應(yīng)用中，有限元法已被證明是不足夠的或低效率的。”而邊界元法則是效率和速度的雙重結(jié)果。

　　“在很多情況下，經(jīng)典的數(shù)值方法使用起來過于麻煩，因此很難將它們集成到計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)中去。例如，有限元法仍然是一種相對(duì)較慢的設(shè)計(jì)方法，以至于許多工程師寧愿選擇可靠性一般但非?？斓慕品椒?。”相反，邊界元法只包括模型邊界的離散化處理，然后提供一種更快的問題建模方法。對(duì)于三維模型，它可以更為迅速地評(píng)估具體設(shè)計(jì)中的參數(shù)變化。在需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和熱性能表征的尖端電子器件分析中，減少計(jì)算時(shí)間已成為一項(xiàng)優(yōu)先考慮。