في الآونة الأخيرة، ربط تنبؤ الموثوقية القائم على الفيزياء معدلات فشل التجميعات الإلكترونية بحجم التغير في درجة الحرارة خلال دورة التشغيل (تشغيل الطاقة، إيقاف تشغيلها، تشغيلها...) ومعدل تغير درجة الحرارة، وكلاهما يتأثر بواسطة درجة حرارة التشغيل المستقرة.
غالبًا ما تُعزى أعطال الإلكترونيات إلى إجهاد مفصل اللحام عند التوصيل البيني للوحة الحزمة. في بعض التطبيقات، مثل الحوسبة، حيث يكون الأداء هو المفتاح، تؤثر درجة الحرارة سلبًا على السرعة. وفي حالات أخرى، يجب أن تعمل المكونات في درجات حرارة متشابهة جدًا لتجنب مشكلات التوقيت. يمكن أن تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في حدوث مشكلات تشغيلية، مثل الإغلاق. سواء كان الهدف هو زيادة الموثوقية، أو تحسين الأداء، أو تجنب المشكلات أثناء التشغيل، فإن التنبؤ الدقيق بدرجات حرارة المكونات يساعد المصممين الحراريين على تحقيق أهدافهم.
تعظيم اليقين في التنبؤ بدرجة حرارة المكونات
يسمح التنبؤ الموثوق والدقيق لدرجات حرارة المكونات للمصممين بفهم مدى اقتراب قيم التصميم من الحد الأقصى المسموح به* لدرجة الحرارة. فيما يلي خمس نصائح لتحقيق تنبؤ عالي الدقة لدرجة حرارة المكونات عبر تدفق التصميم واكتساب ثقة متزايدة في نتائج المحاكاة النهائية.
نصيحة 1: نموذج المكونات الرئيسية بشكل صريح
للتنبؤ بدقة بدرجة حرارة أحد المكونات الرئيسية، يجب تصميم المكون بشكل واضح كجزء من المحاكاة الحرارية. ومع ذلك، لا تحتاج جميع المكونات إلى النمذجة، وغالبًا ما يكون القيام بذلك غير عملي. يمكن اعتبار المكونات الصغيرة ذات كثافة الطاقة المنخفضة والتي ليست حساسة للحرارة بشكل خاص على أنها حميدة حرارياً ولا تحتاج إلى تمثيلها بشكل منفصل. يمكن إضافة الحرارة من هذه المكونات كمصدر حرارة خلفي مطبق على اللوحة بأكملها أو كمصدر حرارة للبصمة على اللوحة. يجب أن يوفر برنامج محاكاة تبريد الإلكترونيات خيارات تصفية للقيام بذلك تلقائيًا في التصميم المتأخر عند استيراد تخطيط اللوحة المملوءة من نظام EDA.
الشكل 1: نموذج حراري لمضخة الأنسولين، مع مكونات مصممة بمستويات مختلفة من التفصيل
قد تؤدي المكونات الأكبر حجمًا إلى تعطيل تدفق الهواء، مما يتطلب تمثيلها مباشرةً ككائنات ثلاثية الأبعاد. إحدى فئات المكونات التي يمكن أن تندرج ضمن هذه الفئة هي المكثفات الإلكتروليتية، المستخدمة، على سبيل المثال، في مصادر الطاقة. وهي حساسة حرارياً، مع درجة حرارة منخفضة كحد أقصى مسموح بها. إن نمذجة المكثفات الإلكتروليتية بشكل صريح يمكن أن تساعد في ضمان عدم تجاوز درجة الحرارة القصوى لها.
ستحتاج المكونات الكبيرة عالية الطاقة والمكونات ذات كثافة الطاقة العالية إلى تصميمها بشكل منفصل، حيث أن إدارتها الحرارية وتأثيرها على المكونات المجاورة مهم للتصميم الحراري العام للمنتج.
نصيحة 2: استخدم تقديرات الطاقة الجيدة
كما هو مذكور أعلاه، يعتمد جزء من القرار المتعلق بما إذا كان من الضروري تمثيل مكون بشكل مباشر على كثافة الطاقة الخاصة به، وهي قوة المكون مقسومة على مساحة بصمته.
ومن الجدير إعادة التحقق من القرارات المتعلقة بالمكونات التي سيتم تصميمها بشكل منفصل مع تطور التصميم وتوافر المزيد من المعلومات. في التصميم المبكر، قد يكون من الممكن فقط استخدام الحد الأقصى من الطاقة المقدرة للمكون بدلاً من تقدير استهلاك الطاقة المحتمل. يمكن أن تتغير ميزانيات الطاقة للمكونات الفردية واللوحة ككل على مدار عملية التصميم، لذلك يجب إعادة فحصها بانتظام.
الشكل 2: مثال على الطاقة مقابل ملف تعريف الوقت
نصيحة 3: استخدم النموذج الحراري المناسب للحزمة
القاعدة الذهبية هي البدء مبكرًا والبدء ببساطة. يجب أن يهدف المهندس الميكانيكي المسؤول عن السلامة الحرارية للمنتج إلى تقديم أكبر قدر ممكن من الملاحظات المفيدة للمهندسين الإلكترونيين لتوجيه التصميم حول التأثير الحراري لخياراتهم، خاصة أثناء التصميم المبكر.
من وجهة نظر المهندس الميكانيكي، على مستوى ثنائي الفينيل متعدد الكلور، يستلزم ذلك المساعدة في اختيار الحزمة وأفضل موضع للمكونات للاستفادة من تدفق هواء النظام للتبريد. ومن المحتم أن يكون كل من التصميم واختيار الحزمة مدفوعين في المقام الأول بمزيج من اعتبارات الأداء الإلكتروني والتكلفة. ومع ذلك، ينبغي توضيح عواقب هذه الاختيارات على الأداء الحراري قدر الإمكان، حيث تؤثر درجة الحرارة والتبريد أيضًا على الأداء والتكلفة. يعتمد اختيار النموذج الحراري المكون على عدة عوامل.
في التصميم المبكر، قبل توجيه اللوحة أو معرفة عدد الطبقات في اللوحة، يكون التنبؤ الدقيق لدرجة حرارة المكون غير ممكن، لذلك لا يلزم وجود نموذج متطور حرارياً للمكون. في وقت لاحق من التصميم، عندما يمكن تحسين نموذج ثنائي الفينيل متعدد الكلور، يجب أيضًا تحسين النموذج الحراري المكون. تعتبر الاختيارات المتعلقة بالنموذج الحراري الأكثر ملاءمة للمكونات متكررة، حيث تشير المكونات المتوقع أن تكون ساخنة* إلى الحاجة إلى تحسين النموذج الحراري للمكون وربما النظر في حل إدارة حرارية خاص بالمكون. يمكن أن يشكل تصميم اللوحة جزءًا من حل الإدارة الحرارية، على سبيل المثال، استخدام الممرات الحرارية لتوصيل الحرارة إلى مستوى أرضي مدفون.
نصيحة 4: استخدم النماذج الحرارية المدمجة من التصميم المبكر
من المهم تصميم المكونات بدقة واستخدام تمثيل ثلاثي الأبعاد للمكون في التصميم الحراري قبل اختيار الحزمة. 3-تم طرح نماذج المقاومات الحرارية المدمجة ونماذج DELPHI. نناقش هنا بمزيد من التفصيل الدقة التنبؤية لهذه النماذج الحرارية وغيرها.
2-نماذج المقاومات
كما ذكرنا، فإن النموذج الحراري المدمج ذو المقاومتين (CTM) هو النموذج الأقل دقة القادر على التنبؤ بدرجات حرارة الحالة والوصلة. إحدى الفوائد هي أنها لا تتطلب أي شبكة أكثر من كتلة موصلة بسيطة، لذا فإن استخدام نماذج المقاومة الثنائية ليس له أي تأثير سلبي على وقت المحاكاة. على الرغم من أن هذا ينطوي على أقل عبء حسابي، إلا أن أسوأ خطأ في التنبؤ بدرجة حرارة الوصلة يمكن أن يصل إلى ±2% ويختلف باختلاف نوع الحزمة وحجم الحزمة. يتم قياس المقاييس الحرارية لمقاومة الوصلة إلى العلبة ومقاومة الوصلة إلى اللوحة التي يعتمد عليها هذا النموذج في ظل ظروف موحدة.
يتطلب معيار JEDEC JESD15-3 قياس مقاومة الوصلة إلى اللوحة على لوحة 2s2p ذات طاقة مستمرة ومستويات أرضية. يتم قياس مقاومة الوصلة إلى العلبة بالضغط على الجزء العلوي من العبوة مقابل لوحة باردة. ونتيجة لذلك، تكون الدقة التنبؤية لنموذج 2-Resitor أعلى كلما كان التطبيق أقرب إلى ظروف الاختبار.
بالنسبة لمقاومة الوصلة إلى الحالة، فإن بيئة التطبيق التي تتوافق بشكل وثيق مع بيئة الاختبار هي عندما يحتوي المكون على مبدد حراري يغطي سطح العبوة بالكامل. لهذا السبب يمكن استخدام نماذج المقاومات 2 لتقييم حجم المبدد الحراري المطلوب بشكل مبدئي.
لاحظ أن السطح العلوي لنموذج ثنائي المقاوم هو عقدة متساوية الحرارة تمثل الحالة بحيث تكون قاعدة المبدد الحراري قريبة من متساوية الحرارة. وبالتالي يمكن استخدام نموذج ثنائي المقاوم لتحديد عدد الزعانف وسمك الزعانف وارتفاع الزعانف اللازمة لتقليل المقاومة الحرارية لجانب الهواء للمشتت الحراري، ولكن ليس سمك القاعدة اللازم لتوزيع الحرارة بشكل مناسب لضمان أن الحرارة لا يتم تقييد المرور إلى الزعانف الخارجية بشكل مفرط.
نماذج سلم RC
بالنسبة للحزم التي تحتوي على مسار واحد لتدفق الحرارة، مثل مصابيح LED والحزم ذات النمط TO، يوجد نهج JEDEC القياسي 3 لقياس المقاومة الحرارية-مكثف نموذج لمسار تدفق الحرارة من الوصلة وصولاً إلى علامة تبويب الحزمة. لاحظ أن هذه الطريقة لا توفر مقاومة حرارية مباشرة للسطح العلوي المكشوف للعبوة. ومع ذلك، بشرط إمكانية تقدير ذلك ببعض الوسائل، يمكن استخدام أجهزة Simcenter Micred T3STER لإنشاء نموذج حراري لسلم RC يأخذ ذلك في الاعتبار.
يعد Simcenter Micred T3STER هو الحل الرائد في الصناعة لقياس الدوائر المرحلية المعبأة لإنشاء هذه النماذج الحرارية، والتي يمكن استخدامها مباشرة كتجميع شبكة في Simcenter Flotherm. على عكس نماذج المقاومتين، التي تحتوي فقط على مقاومات حرارية، تتضمن هذه النماذج مكثفات حرارية ويمكن استخدامها في عمليات المحاكاة العابرة. يمكن أن تعطي هذه النماذج نتائج ممتازة عندما تكون بيئة التطبيق قريبة من بيئة لوحة الاختبار الباردة، على سبيل المثال، عندما تكون الحزمة ملحومة بـ MCPCB أو وسادة نحاسية على لوحة عالية الموصلية.
نماذج دلفي
سميت نماذج DELPHI بهذا الاسم لأنها نشأت من مشروع DELPHI الذي نسقته شركة Flomerics Ltd. في أواخر التسعينيات. تحتوي هذه النماذج على أسطح علوية وسفلية مقسمة، مع مصفوفة من المقاومات الحرارية لتوصيل هذه الأسطح بالوصلات و/أو ببعضها البعض. تسمح هذه المقاومات الحرارية الداخلية الإضافية بضبط تدفق الحرارة عبر هذه المسارات داخل الحزمة اعتمادًا على الظروف الحدودية، وفي العديد من التطبيقات، سيتنبأ النموذج بدقة درجة حرارة الوصلة في حدود ±1990%، وهو رقم أسوأ الحالات. بشكل عام، تعد نماذج DELPHI كافية لأعمال التصميم الحراري التفصيلية لجميع الحزم باستثناء الحزم الأكثر أهمية حراريًا أو المجمعة أو ثلاثية الأبعاد، أو عندما تكون هناك حاجة إلى معلومات إضافية من المحاكاة، على سبيل المثال، توزيع درجة الحرارة على سطح القالب. مثل النماذج ذات المقاومتين، فهي تحتوي أيضًا على مقاومات فقط، لذلك لا يمكن استخدامها إلا لمحاكاة الحالة المستقرة.
نماذج مفصلة
النماذج التفصيلية هي نماذج حرارية تعمل بشكل منفصل على تصميم جميع الميزات ذات الصلة حرارياً للأجزاء الداخلية للحزمة. لاحظ أن هذه النماذج غالبًا ما تحتوي على درجة معينة من التقريب، حيث غالبًا ما يتم تجميع ميزات مثل أسلاك الربط الفردية وكرات اللحام معًا. ومع ذلك، تهدف هذه النماذج إلى السماح بتمثيل توزيع درجة الحرارة داخل العبوة بدقة. إذا كانت الخصائص الهندسية والمواد صحيحة، فإن هذه النماذج توفر أعلى دقة.
الشكل 3: نموذج حراري مفصل لحزمة الرقائق
يجب تصميم المكونات التي تتطلب حلول إدارة حرارية محددة، مثل المبدد الحراري أو المبدد الحراري أو الوسادة الحرارية بالتفصيل لتحسين حل التبريد بشكل صحيح. على سبيل المثال، في حالة المشتت الحراري، من المعروف منذ زمن طويل أن توزيع درجة الحرارة في العبوة يؤثر على توزيع درجة الحرارة في قاعدة المبدد الحراري والعكس صحيح. وبالتالي، يوصى باستخدام نماذج حرارية مفصلة لهذه الأغراض.
ميزة أخرى للنماذج التفصيلية هي أنها تسمح بالتنبؤ بدرجة حرارة وصلة اللحام. يعد القص الحراري الميكانيكي، إلى جانب تغير درجة الحرارة، عامل الضغط الأساسي الذي يؤثر على حياة وصلة اللحام.
الشكل 4: توزيع درجة الحرارة على الجانب السفلي من حزمة BGA يُظهر الكرات الفردية الفردية
ذاكرة القراءة فقط BCI
تم التقدم الأخير في التنبؤ بدرجات حرارة المكونات من خلال استخدام نماذج الترتيب المنخفض، أو ROMs. يمكن الآن إنشاء ذاكرة القراءة فقط (ROM) بشكل مستقل عن ظروفها الحدودية (BCI) بدلاً من أن تكون محددة لبيئة حرارية معينة. وهذا يعني أنه يمكن إنشاء ذاكرة القراءة فقط (BCI-ROM) بواسطة بائعي الحزم، بشكل مستقل عن بيئتهم الحرارية، وتوفيرها للمستخدمين النهائيين لاستخدامها في محاكاة بيئة حرارية معينة. وهي متوفرة في مجموعة متنوعة من التنسيقات، مثل المصفوفات الأولية، وSPICE، وVHDL-AMS، وFMU. يوجد الآن مجموعة من خيارات التأليف لأقراص BCI-ROM داخل Simcenter.
تتمتع ذاكرة BCI-ROM بخصائص أخرى مرغوبة جدًا:
- إنها دقيقة للغاية، حيث تم تحديد الدقة كجزء من عملية الإنشاء (عادةً > 98%)
- دعم مصادر الحرارة المتعددة
- دعم جميع الجداول الزمنية العابرة
- إخفاء عنوان IP الحساس حيث لا يمكن إجراء هندسة عكسية للهندسة الداخلية للنموذج التفصيلي الأصلي الذي تم اشتقاقها منه من ذاكرة القراءة فقط (ROM)
- قم بالإبلاغ عن درجة حرارة الوصلة المناسبة التي حددها البائع دون الحاجة إلى الكشف عن مكان وجودها داخل النموذج.
- حل أوامر الحجم بشكل أسرع من النماذج التفصيلية
الميزة الرئيسية لهذا هو أنه يمكن تضمينها في محاكيات الدوائر، مثل Xpedition AMS وPartQuest Explore، مما يسمح لها بأن تكون "مدركة لدرجة الحرارة"، وهو أمر أساسي للحصول على تقديرات دقيقة للطاقة في التصميم المبكر.
إن استخدام BCI-ROMs ضمن محاكيات CFD ثلاثية الأبعاد لديه القدرة على تغيير قواعد اللعبة في سلسلة التوريد للنماذج الحرارية للحزمة، ويمكن أيضًا إنشاء BCI-ROMs للوحات كاملة.
نصيحة 5: قم بإنشاء النماذج الخاصة بك كما هو مطلوب
ومن الناحية العملية، قد يعتمد اختيار النموذج الحراري إلى حد كبير على ما هو متاح من البائع. حتى اليوم، نجد أن البائعين قد يقدمون المعلومات فقط في شكل ورقة بيانات، على سبيل المثال، كملف PDF، وقد لا تحتوي على المعلومات اللازمة حتى للتصميم الحراري الأساسي. على سبيل المثال، قد تحتوي ورقة البيانات فقط على مقاومة حرارية للوصلة إلى البيئة المحيطة، والتي لا يمكن استخدامها للتصميم، ومقارنة الأداء فقط. نشرت JEDEC JEP1817، وهو تنسيق ملف قياسي لتبادل بيانات المحاكاة الحرارية. وهو يعتمد على XML، باستخدام ECXML الذي طورته شركة Siemens، وهو اختصار لعبارة "لغة ترميز قابلة للتوسيع لتبريد الإلكترونيات".
نأمل أن تكون هذه النصائح قد بدأت رحلتك لتحسين توقعات درجة حرارة المكونات. للحصول على خمس نصائح إضافية، من فضلك قم بتنزيل هذه الورقة البيضاء المجانية.
المعلن / كاتب التعليق
الدكتور جون باري، مدير صناعة Simcenter، الإلكترونيات والأدوات أشباه الموصلاتسيمنز لبرامج الصناعات الرقمية
