In jüngerer Zeit hat die physikbasierte Zuverlässigkeitsvorhersage die Ausfallraten elektronischer Baugruppen mit der Größe der Temperaturänderung während eines Betriebszyklus (Einschalten, Ausschalten, Einschalten usw.) und der Temperaturänderungsrate in Verbindung gebracht, die beide beeinflusst werden durch konstante Betriebstemperatur.
Elektronikausfälle werden oft auf eine Ermüdung der Lötstelle an der Verbindung zwischen Gehäuse und Platine zurückgeführt. Bei manchen Anwendungen, etwa im Computerbereich, bei denen es auf die Leistung ankommt, wirkt sich die Temperatur negativ auf die Geschwindigkeit aus. In anderen Fällen müssen Komponenten bei sehr ähnlichen Temperaturen laufen, um Zeitprobleme zu vermeiden. Hohe Temperaturen können zu Betriebsproblemen, wie z. B. Latch-Up, führen. Unabhängig davon, ob die Zuverlässigkeit erhöht, die Leistung verbessert oder Probleme während des Betriebs vermieden werden sollen, hilft die genaue Vorhersage der Komponententemperaturen den Thermodesignern, ihre Ziele zu erreichen.
Maximieren Sie die Sicherheit bei der Vorhersage der Bauteiltemperatur
Durch die zuverlässige und genaue Vorhersage der Komponententemperaturen können Konstrukteure nachvollziehen, wie nahe die Konstruktionswerte an der maximal zulässigen* Temperatur liegen. Hier sind fünf Tipps, wie Sie im gesamten Designablauf eine hochgenaue Vorhersage der Komponententemperatur erreichen und mehr Vertrauen in Ihre endgültigen Simulationsergebnisse gewinnen können.
Tipp 1: Schlüsselkomponenten explizit modellieren
Um die Temperatur einer Schlüsselkomponente genau vorherzusagen, sollte die Komponente im Rahmen der thermischen Simulation explizit modelliert werden. Es müssen jedoch nicht alle Komponenten modelliert werden, und dies ist oft unpraktisch. Kleine Komponenten mit geringer Leistungsdichte, die nicht besonders thermisch empfindlich sind, können als thermisch unbedenklich angesehen werden und müssen nicht gesondert dargestellt werden. Die Wärme dieser Komponenten kann als Hintergrundwärmequelle über die gesamte Platine oder als Flächenwärmequelle auf der Platine zugeführt werden. Software zur Simulation der Elektronikkühlung sollte Filteroptionen bieten, um dies im späten Design automatisch durchzuführen, wenn das bestückte Platinenlayout aus dem EDA-System importiert wird.
Abbildung 1: Thermisches Modell einer Insulinpumpe, wobei die Komponenten in verschiedenen Detaillierungsgraden modelliert sind
Größere Komponenten können den Luftstrom stören und müssen daher direkt als 3D-Objekte dargestellt werden. Eine Klasse von Komponenten, die in diese Kategorie fallen können, sind Elektrolytkondensatoren, die beispielsweise in Netzteilen verwendet werden. Diese sind thermisch empfindlich und haben eine niedrige maximal zulässige Temperatur. Durch die explizite Modellierung von Elektrolytkondensatoren kann sichergestellt werden, dass deren maximale Temperatur nicht überschritten wird.
Große Hochleistungskomponenten und Komponenten mit hoher Leistungsdichte müssen diskret modelliert werden, da ihr Wärmemanagement und ihr Einfluss auf benachbarte Komponenten für das gesamte thermische Design des Produkts wichtig sind.
Tipp 2: Verwenden Sie gute Leistungsschätzungen
Wie oben erwähnt, hängt ein Teil der Entscheidung darüber, ob es notwendig ist, eine Komponente direkt darzustellen, von ihrer Leistungsdichte ab, also der Leistung der Komponente dividiert durch ihre Grundfläche.
Es lohnt sich, Entscheidungen darüber, welche Komponenten diskret modelliert werden sollen, noch einmal zu überprüfen, wenn sich das Design weiterentwickelt und mehr Informationen verfügbar werden. In der frühen Entwurfsphase ist es möglicherweise nur möglich, die maximale Nennleistung für die Komponente zu verwenden, anstatt den wahrscheinlichen Stromverbrauch abzuschätzen. Die Strombudgets für einzelne Komponenten und die Platine als Ganzes können sich im Laufe des Designs ändern und müssen daher regelmäßig überprüft werden.
Abbildung 2 Beispiel eines Leistungs-Zeit-Profils
Tipp 3: Verwenden Sie das richtige thermische Paketmodell
Die goldene Regel lautet, früh und einfach anzufangen. Der Maschinenbauingenieur, der für die thermische Integrität des Produkts verantwortlich ist, sollte bestrebt sein, den Elektronikingenieuren so viele nützliche Rückmeldungen wie möglich zu geben, um sie bei der Konstruktion über die thermischen Auswirkungen ihrer Entscheidungen zu informieren, insbesondere während der frühen Entwurfsphase.
Aus Sicht des Maschinenbauingenieurs bedeutet dies auf PCB-Ebene, dass er bei der Gehäuseauswahl und der besten Positionierung der Komponenten behilflich sein muss, um den Systemluftstrom zur Kühlung zu nutzen. Sowohl das Layout als auch die Gehäuseauswahl werden zwangsläufig in erster Linie von einer Kombination aus elektronischer Leistung und Kostenüberlegungen bestimmt. Dennoch sollten die Auswirkungen dieser Entscheidungen auf die thermische Leistung so klar wie möglich dargelegt werden, da Temperatur und Kühlung auch Leistung und Kosten beeinflussen. Die Wahl des thermischen Komponentenmodells hängt von mehreren Faktoren ab.
Im frühen Entwurfsstadium, bevor die Platine geroutet wird oder die Anzahl der Schichten in der Platine bekannt ist, ist eine genaue Vorhersage der Komponententemperatur einfach nicht möglich, sodass ein thermisch anspruchsvolles Modell der Komponente nicht erforderlich ist. Wenn später im Design das PCB-Modell verfeinert werden kann, sollte auch das thermische Komponentenmodell verfeinert werden. Entscheidungen über das am besten geeignete Wärmemodell der Komponente erfolgen iterativ, da Komponenten, von denen vorhergesagt wird, dass sie heiß sind*, selbst die Notwendigkeit anzeigen, das Wärmemodell der Komponente zu verfeinern und möglicherweise eine komponentenspezifische Wärmemanagementlösung in Betracht zu ziehen. Das Platinendesign kann Teil dieser Wärmemanagementlösung sein, indem beispielsweise thermische Durchkontaktierungen verwendet werden, um Wärme zu einer vergrabenen Erdungsebene zu leiten.
Tipp 4: Verwenden Sie kompakte thermische Modelle aus der frühen Entwurfsphase
Es ist wichtig, die Komponenten genau zu modellieren und vor der Gehäuseauswahl eine 3D-Darstellung der Komponente im thermischen Design zu verwenden. 2-Widerstands- und DELPHI-Kompakt-Thermomodelle wurden eingeführt. Hier diskutieren wir detaillierter die Vorhersagegenauigkeit dieser und anderer thermischer Modelle.
2-Widerstandsmodelle
Wie bereits erwähnt, ist ein kompaktes thermisches Modell mit 2 Widerständen (CTM) das Modell mit der niedrigsten Genauigkeit, mit dem sich sowohl Gehäuse- als auch Sperrschichttemperaturen vorhersagen lassen. Ein Vorteil besteht darin, dass nicht mehr Netz erforderlich ist als bei einem einfachen leitenden Block, sodass die Verwendung von 2-Widerstandsmodellen keine negativen Auswirkungen auf die Simulationszeit hat. Obwohl dies den geringsten Rechenaufwand mit sich bringt, kann der Fehler bei der Vorhersage der Sperrschichttemperatur im schlimmsten Fall bis zu ±30 % betragen und variiert je nach Gehäusetyp und Gehäusegröße. Die thermischen Messwerte für den Übergang-zu-Gehäuse-Widerstand und den Übergang-zu-Platine-Widerstand, auf denen dieses Modell basiert, werden unter standardisierten Bedingungen gemessen.
Der JEDEC-Standard JESD15-3 erfordert die Messung des Übergangs-zu-Platine-Widerstands auf einer 2s2p-Platine mit kontinuierlicher Stromversorgung und Masseebenen. Der Übergangs-zu-Gehäuse-Widerstand wird gemessen, indem die Oberseite des Gehäuses gegen eine Kühlplatte gedrückt wird. Dadurch ist die Vorhersagegenauigkeit des 2-Resitor-Modells umso höher, je ähnlicher die Anwendung den Testbedingungen ähnelt.
Was den Übergangs-zu-Gehäuse-Widerstand betrifft, entspricht die Anwendungsumgebung der Testumgebung am ehesten, wenn die Komponente über einen Kühlkörper verfügt, der die gesamte Gehäuseoberfläche bedeckt. Aus diesem Grund können 2-Widerstandsmodelle verwendet werden, um zunächst die Größe des erforderlichen Kühlkörpers abzuschätzen.
Beachten Sie, dass die Oberseite eines 2-Widerstands-Modells ein isothermer Knoten ist, der das Gehäuse darstellt, sodass die Basis des Kühlkörpers nahezu isotherm gehalten wird. Ein 2-Widerstandsmodell kann daher verwendet werden, um die Anzahl der Rippen, die Rippendicke und die Rippenhöhe zu bestimmen, die erforderlich sind, um den luftseitigen Wärmewiderstand des Kühlkörpers zu reduzieren, nicht jedoch die Basisdicke, die zur ausreichenden Wärmeverteilung erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die Wärme gewährleistet ist Der Übergang zu den äußeren Flossen wird nicht übermäßig eingeschränkt.
RC-Leitermodelle
Für Gehäuse mit einem einzigen Wärmeflusspfad, wie z. B. LEDs und TO-Gehäuse, gibt es einen JEDEC-Standardansatz 3 zur Messung eines Wärmewiderstands.Kondensator Modell des Wärmeflusspfades von der Verbindungsstelle bis zur Gehäuselasche. Beachten Sie, dass diese Methode der freiliegenden Oberseite des Gehäuses keinen direkten Wärmewiderstand verleiht. Sofern dies jedoch auf irgendeine Weise geschätzt werden kann, kann die Simcenter Micred T3STER-Hardware verwendet werden, um ein RC-Ladder-Wärmemodell zu erstellen, das dies berücksichtigt.
Simcenter Micred T3STER ist die branchenführende Lösung zur Messung verpackter ICs zur Erstellung dieser thermischen Modelle, die direkt als Netzwerkbaugruppe in Simcenter Flotherm verwendet werden können. Im Gegensatz zu 2-Widerstandsmodellen, die nur thermische Widerstände enthalten, umfassen diese Modelle thermische Kondensatoren und können für transiente Simulationen verwendet werden. Diese Modelle können hervorragende Ergebnisse liefern, wenn die Anwendungsumgebung nahe an der Testkühlplattenumgebung liegt, z. B. wenn das Gehäuse auf eine MCPCB oder ein Kupferpad auf einer hochleitfähigen Platine gelötet wird.
DELPHI-Modelle
DELPHI-Modelle tragen ihren Namen, da sie aus dem Ende der 1990er Jahre von Flomerics Ltd. koordinierten DELPHI-Projekt hervorgegangen sind. Diese Modelle verfügen über getrennte Ober- und Unterseiten sowie eine Matrix aus Wärmewiderständen, um diese Oberflächen mit der Verbindungsstelle und/oder untereinander zu verbinden. Diese zusätzlichen internen Wärmewiderstände ermöglichen die Anpassung des Wärmeflusses durch diese Pfade innerhalb des Gehäuses an die Randbedingungen. In vielen Anwendungen wird das Modell die Genauigkeit der Sperrschichttemperatur auf deutlich ±10 % vorhersagen, was einem Worst-Case-Wert entspricht. Im Allgemeinen eignen sich DELPHI-Modelle für detaillierte thermische Designarbeiten aller Gehäuse mit Ausnahme der thermisch kritischsten, gestapelten oder 3D-ICs oder wenn zusätzliche Informationen aus der Simulation benötigt werden, z. B. die Temperaturverteilung auf der Chipoberfläche. Ebenso wie die 2-Widerstands-Modelle enthalten sie nur Widerstände und können daher nur für die stationäre Simulation verwendet werden.
Detaillierte Modelle
Detaillierte Modelle sind thermische Modelle, die alle thermisch relevanten Merkmale des Gehäuseinneren diskret modellieren. Beachten Sie, dass diese Modelle oft einen gewissen Grad an Annäherung enthalten, da Merkmale wie einzelne Bonddrähte und Lotkugeln oft in einen Topf geworfen werden. Ziel solcher Modelle ist es jedoch, die Temperaturverteilung innerhalb der Verpackung genau darzustellen. Bei korrekter Geometrie und Materialeigenschaften bieten solche Modelle die höchste Wiedergabetreue.
Abbildung 3 Detailliertes thermisches Modell eines Chipgehäuses
Komponenten, die spezielle Wärmemanagementlösungen erfordern, wie z. B. ein Kühlkörper, ein Lüfter oder ein Wärmeleitpad, sollten detailliert modelliert werden, um die Kühllösung richtig zu optimieren. Beispielsweise ist bei einem Kühlkörper seit langem bekannt, dass die Temperaturverteilung im Gehäuse die Temperaturverteilung im Kühlkörperboden beeinflusst und umgekehrt. Daher werden für solche Zwecke detaillierte thermische Gehäusemodelle empfohlen.
Ein weiterer Vorteil detaillierter Modelle besteht darin, dass sie eine Vorhersage der Temperatur der Lötverbindung ermöglichen. Thermomechanische Scherung in Verbindung mit Temperaturänderungen ist der Hauptstressfaktor, der die Lebensdauer der Lötverbindung beeinflusst.
Abbildung 4 Temperaturverteilung auf der Unterseite eines BGA-Gehäuses mit Darstellung einzelner Soler-Kugeln
BCI-ROMs
Ein neuerer Fortschritt bei der Vorhersage von Komponententemperaturen ist die Verwendung von Modellen reduzierter Ordnung (ROMs). ROMs können nun unabhängig von ihren Randbedingungen (BCI) erstellt werden und sind nicht mehr spezifisch für eine bestimmte thermische Umgebung. Das bedeutet, dass BCI-ROMs von Paketanbietern unabhängig von ihrer thermischen Umgebung erstellt und Endbenutzern zur Simulation einer bestimmten thermischen Umgebung bereitgestellt werden können. Sie sind in verschiedenen Formaten verfügbar, beispielsweise als Rohmatrizen, SPICE, VHDL-AMS und FMU. Mittlerweile gibt es in Simcenter eine Reihe von Authoring-Optionen für BCI-ROMs.
BCI-ROMs haben weitere sehr wünschenswerte Eigenschaften:
- Sie sind sehr genau, wobei die Genauigkeit im Rahmen des Erstellungsprozesses definiert wird (normalerweise > 98 %).
- Unterstützen Sie mehrere Wärmequellen
- Unterstützen Sie alle vorübergehenden Zeitskalen
- Verstecken Sie vertrauliche IP-Adressen, da die interne Geometrie des übergeordneten detaillierten Modells, von dem sie abgeleitet sind, nicht aus dem ROM zurückentwickelt werden kann
- Melden Sie die entsprechende, vom Anbieter definierte Verbindungstemperatur, ohne dass der Anbieter offenlegen muss, an welcher Stelle im Modell diese liegt.
- Lösen Sie Größenordnungen schneller als detaillierte Modelle
Ein großer Vorteil davon besteht darin, dass sie in Schaltungssimulatoren wie Xpedition AMS und PartQuest Explore integriert werden können, wodurch sie „temperaturbewusst“ sind, was für genaue Leistungsschätzungen in der frühen Entwurfsphase von entscheidender Bedeutung ist.
Der Einsatz von BCI-ROMs in 3D-CFD-Simulatoren hat das Potenzial, die Lieferkette für thermische Gehäusemodelle grundlegend zu verändern, und BCI-ROMs können auch für ganze Platinen erstellt werden.
Tipp 5: Erstellen Sie Ihre Modelle nach Bedarf
In der Praxis kann die Wahl des thermischen Modells weitgehend davon abhängen, was der Anbieter anbietet. Noch heute stellen wir fest, dass Anbieter Informationen möglicherweise nur in Form eines Datenblatts, z. B. als PDF, bereitstellen und diese möglicherweise nicht einmal die Informationen enthalten, die für ein grundlegendes thermisches Design erforderlich sind. Beispielsweise enthält das Datenblatt möglicherweise nur einen Wärmewiderstand zwischen Übergang und Umgebung, der nicht für das Design verwendet werden kann, sondern nur einen Leistungsvergleich. JEDEC hat JEP1817 veröffentlicht, ein Standarddateiformat für den Austausch von Wärmesimulationsdaten. Es ist XML-basiert und verwendet ECXML, das von Siemens entwickelt wurde, kurz für „Electronics Cooling Extensible Mark-up Language“.
Wir hoffen, dass Ihnen diese Tipps dabei geholfen haben, die Temperaturvorhersagen für Komponenten zu verbessern. Bitte um weitere fünf Tipps Laden Sie dieses kostenlose Whitepaper herunter.
Autor
Dr. John Parry, Simcenter Industry Director, Elektronik & Halbleiter, Siemens Digital Industries Software
