华为自2003年以来一直使用Simcenter Flotherm软件，这为该公司积累了创建其片上系统（SoC）和系统级封装（SiP）产品详细散热模型的能力和经验。不过，华为需要一种方法来确保这些封装达到了设计规定的热性能，并且还要测试其他供应商的封装，而不是依赖其提供的往往不够精确或不适合设计的热数据。由于这种方法基于热瞬态测量原理，因此可提供最高的保真度。
制造商和系统集成商面临的主要挑战是封装用于通信的高性能多核集成电路（IC）器件。传统上，封装内系统（SiP）方法采用芯片并排方式进行安装，可允许不同的半导体技术混用。随着产量的增加，堆叠硅芯片的使用越来越普遍，这使得具有更高前期不可恢复支出的SoC设计方法成为最具成本效益的选择。这些多热源设备需要仔细的热设计，由于详细设计过程中的更改成本很高，因此会提前进行热设计。在当今计算能力越来越强的通信器件行业，更多的功能和更高的功耗让通信器件应用的热设计变得至关重要。这些产品致使SoC封装所处的热环境更为严峻，因此在设计时，必须严格遵守热学参数指标，方能达到尺寸、重量和外形参数要求。
华为一贯重视产品设计中的热挑战，热分析贯穿于产品研发（R&D）的整个流程之中。公司的宏伟计划就是为多核SoC和SiP器件开发一种内部热设计流程，使我们能够利用最高质量的热数据和模型来推动设计工作。
作为这种新设计工作流程的测试载具，华为研究了通信器件应用中常用的三核SoC器件，其 以层叠封装（PoP）形式组装，支持封装堆叠。Simcenter Flotherm模型如图1所示。首批有效封装一生产出来，我们便用Simcenter Micred T3STER硬件对其进行了测量，该硬件可记录器件对功率阶跃的温度响应，从仅几微秒至达到稳态，精度为±0.01摄氏度（oC）。在Simcenter Flotherm中创建该封装的详细数值模型之后，华为执行了瞬态仿真以获取这个未校准模型（利用设计流程中的最佳可用信息构建）的基准结果。Simcenter Flotherm 和Simcenter Micred T3STER提供的温度与时间图显示了准确的匹配。
△ 图1.SoC器件结构概览
由于是在同一Simcenter Flotherm热环境中使用封装模型，故仿真得到的温度与时域响应曲线也可转换为结构函数，然后便可比较这两个结构函数。
结构函数是热量离开封装时经历的累积热容与累积热阻的关系图。如果模型与封装完全匹配，那么两个结构函数应当完全一致，因为从芯片结点到环境的热流通路应当完全一致。当它们不完全一致时（参见图2示例），可以校准仿真模型以匹配实际情况。
华为对这些温度与时间数据进行后处理，以创建Simcenter Micred T3STER和Simcenter Flotherm结果的结构函数图。公司并没有期望二者完全一致，因为材料热属性通常存在不确定性，比如，粘结层的厚度和均匀性，以及结构内部的接触热阻（一种材料与其相邻材料的非理想热接触）。然而，比较结构函数时，差异令人叹为观止（如图2所示）。结构函数比较是一款强大的工具，可以显示模型与实验结果的差异，以及差异位于热流通路的何处。
△ 图2.初始仿真曲线（蓝色）与使用Simcenter Micred T3STER（黄色）测量的曲线
图2显示了当核心1加电时，初始Simcenter Flotherm仿真（黑色）和Simcenter Micred T3STER测量数据（蓝色）的结构函数。两个结构函数显然大相径庭。如该图最右边所示，当热量到达环境时，热容变为无限大。对于Simcenter Flotherm模型，这发生在比实际情况要低的热阻处，所以模型低估了温升。其中一些差异可能是由于冷板建模方式存在缺陷所致。然而，图形左边显示的差异是在封装模型本身以内且靠近热源。当核心2和核心3加电时，仿真与测试结果均显示出类似的差异。
在快节奏的设计环境中，手动修改模型以使其与实验结果保持一致将非常耗时、容易出错且不切实际。华为之所以选择 SimcenterMicred T3STER，部分原因在于可以将其结果读入Simcenter Flotherm的Command Center工具中，从而自动校准用户选择的多个参数以调整模型，使其与测量数据匹配。通过这种校准可实现非常好的拟合，所得模型具有所需的精度，适合系统设计使用，相比之下手动调整极难做到且颇费时间。
为了进行这种自动校准，华为选择了封装内加热对应的时间范围，忽略了代表板和冷板加热的曲线部分，从而将瞬态计算缩短为0.15秒。优化需要一系列参数，其确切值无法确定，例如材料厚度，以及其热相关材料属性的可能范围。选定调整的材料为：C4凸块（传导率范围为40瓦特每米每开尔文（W/mK）到70W/mK）；底胶（0.2W/mK到0.7W/mK）；封装基板（10W/mK到20W/mK)；以及阻焊层（0.5W/mK 到3W/mK）。
结果如图3所示，在最高达到结-电路板热阻（RthJB）的热阻范围内吻合得非常好。这证明了Simcenter Flotherm与Simcenter Micred T3STR自动校准技术的有效性。校准后的模型可用于板级和系统级热分析，使结果的保真度具有极高的可信度。为了成功设计通信器件，华为首先在Simcenter Flotherm中运行热仿真，然后基于从Simcenter Micred T3STER获得的精确热测量数据校准详细热模型。与此同时，华为通过选择不同材料来优化设计，降低热阻，并利用Simcenter Micred T3STER的瞬态热测量予以确认。相比以前，此流程要快很多，且所需资源更少。它为华为提供高度精确的热模型以供系统级建模使用，助力我们领先于竞争对手，以更快地速度将产品推向市场。
△ 图3.相当吻合的最终校准结果
