Más recientemente, la predicción de confiabilidad basada en la física ha relacionado las tasas de falla de los conjuntos electrónicos con la magnitud del cambio de temperatura durante un ciclo operativo (encendido, apagado, encendido...) y la tasa de cambio de temperatura, las cuales están influenciadas. por la temperatura de funcionamiento en estado estacionario.
Las fallas electrónicas a menudo se atribuyen a la fatiga de las uniones de soldadura en la interconexión de la placa del paquete. En algunas aplicaciones, como la informática, donde el rendimiento es clave, la temperatura afecta negativamente a la velocidad. En otros casos, los componentes tienen que funcionar a temperaturas muy similares para evitar problemas de sincronización. Las altas temperaturas pueden causar problemas operativos, como el enganche. Ya sea que la intención sea aumentar la confiabilidad, mejorar el rendimiento o evitar problemas durante la operación, la predicción precisa de las temperaturas de los componentes ayuda a los diseñadores térmicos a lograr sus objetivos.
Maximice la certeza en la predicción de la temperatura de los componentes
La predicción confiable y precisa de las temperaturas de los componentes permite a los diseñadores comprender qué tan cerca se acercan los valores de diseño a la temperatura máxima permitida*. A continuación se ofrecen cinco consejos para lograr una predicción de la temperatura de los componentes de alta fidelidad en todo el flujo de diseño y obtener una mayor confianza en los resultados finales de la simulación.
Consejo 1: Modele los componentes clave explícitamente
Para predecir con precisión la temperatura de un componente clave, el componente debe modelarse explícitamente como parte de la simulación térmica. Sin embargo, no es necesario modelar todos los componentes y, a menudo, no resulta práctico hacerlo. Los componentes pequeños con una baja densidad de potencia que no son particularmente sensibles térmicamente pueden considerarse térmicamente benignos y no necesitan representarse de manera discreta. El calor de estos componentes se puede agregar como una fuente de calor de fondo aplicada sobre todo el tablero o como una fuente de calor de huella en el tablero. El software de simulación de enfriamiento de dispositivos electrónicos debe proporcionar opciones de filtrado para hacer esto automáticamente en el último diseño cuando el diseño de la placa completa se importa desde el sistema EDA.
Figura 1 Modelo térmico de una bomba de insulina, con componentes modelados en diferentes niveles de detalle
Los componentes más grandes pueden interrumpir el flujo de aire, lo que requiere que se representen directamente como objetos 3D. Una clase de componente que puede entrar en esta categoría son los condensadores electrolíticos, utilizados, por ejemplo, en fuentes de alimentación. Estos son térmicamente sensibles, con una temperatura máxima permitida baja. Modelar condensadores electrolíticos explícitamente puede ayudar a garantizar que no se exceda su temperatura máxima.
Los componentes grandes y de alta potencia y los componentes con alta densidad de potencia deberán modelarse de forma discreta, ya que su gestión térmica y su influencia en los componentes vecinos son importantes para el diseño térmico general del producto.
Consejo 2: utilice buenas estimaciones de potencia
Como se señaló anteriormente, parte de la decisión sobre si es necesario representar un componente depende directamente de su densidad de potencia, que es la potencia del componente dividida por su área de huella.
Vale la pena volver a verificar las decisiones sobre qué componentes modelar discretamente a medida que el diseño evoluciona y hay más información disponible. En un diseño inicial, es posible que solo sea posible utilizar la potencia nominal máxima para el componente en lugar de estimar el consumo de energía probable. Los presupuestos de energía para componentes individuales y la placa en su conjunto pueden cambiar a lo largo del diseño, por lo que es necesario volver a verificarlos periódicamente.
Figura 2 Ejemplo de perfil de potencia versus tiempo
Consejo 3: utilice el modelo térmico de paquete adecuado
La regla de oro es empezar temprano y de forma sencilla. El ingeniero mecánico responsable de la integridad térmica del producto debe intentar proporcionar la mayor información útil posible a los ingenieros electrónicos para guiar el diseño sobre el impacto térmico de sus elecciones, especialmente durante el diseño inicial.
Desde la perspectiva del ingeniero mecánico, a nivel de PCB, esto implica ayudar con la selección del paquete y el mejor posicionamiento de los componentes para utilizar el flujo de aire del sistema para la refrigeración. Inevitablemente, tanto el diseño como la selección del paquete están impulsados principalmente por una combinación de consideraciones de costo y rendimiento electrónico. Aún así, las consecuencias de esas elecciones sobre el rendimiento térmico deben quedar lo más claras posible, ya que la temperatura y el enfriamiento también afectan el rendimiento y el costo. La elección del modelo térmico del componente depende de varios factores.
En los primeros diseños, antes de encaminar la placa o de conocer el número de capas de la placa, simplemente no es posible predecir con precisión la temperatura de los componentes, por lo que no se requiere un modelo térmicamente sofisticado del componente. Más adelante en el diseño, cuando se pueda refinar el modelo de PCB, también se debe refinar el modelo térmico del componente. Las opciones sobre el modelo térmico de componente más apropiado son iterativas, ya que los componentes que se predice que estarán calientes* autoindican la necesidad de refinar el modelo térmico del componente y tal vez considerar una solución de gestión térmica específica del componente. El diseño de la placa puede formar parte de esa solución de gestión térmica, por ejemplo, utilizando vías térmicas para conducir el calor a un plano de tierra enterrado.
Consejo 4: utilice modelos térmicos compactos desde el diseño inicial
Es importante modelar los componentes con precisión y utilizar una representación 3D del componente en el diseño térmico antes de seleccionar el paquete. Se introdujeron los modelos térmicos compactos de 2 resistencias y DELPHI. Aquí analizamos con más detalle la precisión predictiva de estos y otros modelos térmicos.
Modelos de 2 resistencias
Como se señaló, un modelo térmico compacto (CTM) de 2 resistencias es el modelo de menor fidelidad capaz de predecir las temperaturas de la caja y de la unión. Una ventaja es que no requiere más malla que un simple bloque conductor, por lo que el uso de modelos de 2 resistencias no tiene ningún impacto negativo en el tiempo de simulación. Aunque esto tiene la carga computacional más baja, el error en el peor de los casos en la predicción de la temperatura de la unión puede ser tan alto como ±30% y varía tanto con el tipo como con el tamaño del paquete. Las métricas térmicas de resistencia de unión a caja y de resistencia de unión a placa en las que se basa este modelo se miden en condiciones estandarizadas.
El estándar JEDEC JESD15-3 requiere que la resistencia de la unión a la placa se mida en una placa 2s2p con alimentación continua y planos de tierra. La resistencia de la unión a la caja se mide presionando la parte superior del paquete contra una placa fría. Como resultado, la precisión predictiva del modelo de 2 Resitores es mayor cuanto más se parezca la aplicación a las condiciones de prueba.
Para la resistencia de unión a caja, el entorno de aplicación que más se corresponde con el entorno de prueba es cuando el componente tiene un disipador de calor que cubre toda la superficie del paquete. Por este motivo, se pueden utilizar modelos de 2 resistencias para evaluar inicialmente el tamaño del disipador térmico necesario.
Tenga en cuenta que la superficie superior de un modelo de 2 resistencias es un nodo isotérmico que representa el caso de modo que la base del disipador de calor se mantendrá cerca de lo isotérmico. Por lo tanto, se puede utilizar un modelo de 2 resistencias para determinar el número de aletas, el grosor de las aletas y la altura de las aletas necesarios para reducir la resistencia térmica del lado del aire del disipador de calor, pero no el grosor de la base necesario para distribuir adecuadamente el calor y garantizar que el calor el paso a las aletas exteriores no está demasiado restringido.
Modelos RC-Ladder
Para paquetes que tienen una única ruta de flujo de calor, como LED y paquetes estilo TO, existe un enfoque estándar JEDEC 3 para medir una resistencia térmica.condensador modelo de la ruta del flujo de calor desde la unión hasta la pestaña del paquete. Tenga en cuenta que este método no proporciona resistencia térmica directamente a la superficie superior expuesta del paquete. Sin embargo, siempre que esto pueda estimarse de algún modo, el hardware Simcenter Micred T3STER se puede utilizar para crear un modelo térmico de escalera RC que tenga esto en cuenta.
Simcenter Micred T3STER es la solución líder en la industria para medir circuitos integrados empaquetados para crear estos modelos térmicos, que se pueden utilizar directamente como conjunto de red en Simcenter Flotherm. A diferencia de los modelos de 2 resistencias, que solo contienen resistencias térmicas, estos modelos incluyen condensadores térmicos y pueden usarse para simulaciones transitorias. Estos modelos pueden dar resultados excelentes cuando el entorno de aplicación es cercano al entorno de la placa fría de prueba, por ejemplo, cuando el paquete está soldado a un MCPCB o una almohadilla de cobre en una placa de alta conductividad.
Modelos DELPHI
Los modelos DELPHI reciben este nombre porque se originaron en el Proyecto DELPHI coordinado por Flomerics Ltd. a finales de los años 1990. Estos modelos tienen superficies superior e inferior divididas, con una matriz de resistencias térmicas para conectar estas superficies a la unión y/o entre sí. Estas resistencias térmicas internas adicionales permiten que el flujo de calor a través de estas rutas dentro del paquete se ajuste dependiendo de las condiciones límite y, en muchas aplicaciones, el modelo predecirá la precisión de la temperatura de la unión dentro de ±10%, siendo la cifra en el peor de los casos. En general, los modelos DELPHI son adecuados para el trabajo de diseño térmico detallado de todos los paquetes, excepto los más críticos desde el punto de vista térmico, circuitos integrados apilados o 3D, o cuando se necesita información adicional de la simulación, por ejemplo, la distribución de temperatura en la superficie del troquel. Al igual que los modelos de 2 resistencias, también contienen solo resistencias, por lo que solo pueden usarse para simulación de estado estacionario.
Modelos detallados
Los modelos detallados son modelos térmicos que modelan discretamente todas las características térmicamente relevantes de las partes internas del paquete. Tenga en cuenta que estos modelos a menudo contienen cierto grado de aproximación, ya que características como cables de unión individuales y bolas de soldadura a menudo se agrupan. Sin embargo, dichos modelos tienen como objetivo permitir que la distribución de temperatura dentro del paquete se represente con precisión. Si la geometría y las propiedades del material son correctas, estos modelos ofrecen la mayor fidelidad.
Figura 3 Modelo térmico detallado de un paquete de chips
Los componentes que requieren soluciones de gestión térmica específicas, como un disipador de calor, un disipador de ventilador o una almohadilla térmica, deben modelarse en detalle para optimizar correctamente la solución de refrigeración. Por ejemplo, en el caso de un disipador de calor, se sabe desde hace mucho tiempo que la distribución de temperatura en el paquete influye en la distribución de temperatura en la base del disipador de calor y viceversa. En consecuencia, se recomiendan modelos térmicos de paquete detallados para tales fines.
Otra ventaja de los modelos detallados es que permiten predecir la temperatura de la interconexión de soldadura. El corte termomecánico, junto con el cambio de temperatura, es el principal factor de estrés que afecta la vida útil de la unión soldada.
Figura 4 Distribución de temperatura en la parte inferior de un paquete BGA que muestra bolas de sol individuales
BCI-ROM
Un avance reciente en la predicción de las temperaturas de los componentes es mediante el uso de modelos de orden reducido o ROM. Las ROM ahora se pueden crear independientemente de sus condiciones límite (BCI) en lugar de ser específicas para un entorno térmico determinado. Eso significa que los proveedores de paquetes pueden crear BCI-ROM, independientemente de su entorno térmico, y proporcionarlos a los usuarios finales para que los utilicen en la simulación de un entorno térmico específico. Están disponibles en una variedad de formatos, como matrices sin formato, SPICE, VHDL-AMS y FMU. Ahora hay una variedad de opciones de creación para BCI-ROM dentro de Simcenter.
Los BCI-ROM tienen otras características muy deseables:
- Son muy precisos y la precisión se define como parte del proceso de creación (normalmente > 98 %).
- Admite múltiples fuentes de calor
- Admite todas las escalas de tiempo transitorias
- Ocultar IP confidencial ya que la geometría interna del modelo detallado principal del cual se derivan no se puede realizar ingeniería inversa desde la ROM.
- Informe la temperatura de unión adecuada definida por el proveedor sin que el proveedor tenga que revelar en qué parte del modelo se encuentra.
- Resuelva órdenes de magnitud más rápido que los modelos detallados
Una ventaja importante de esto es que pueden incluirse en simuladores de circuitos, como Xpedition AMS y PartQuest Explore, lo que les permite ser "conscientes de la temperatura", lo cual es clave para obtener estimaciones de potencia precisas en las primeras etapas del diseño.
El uso de BCI-ROM en simuladores CFD 3D tiene el potencial de cambiar las reglas del juego en la cadena de suministro de modelos térmicos de paquetes, y también se pueden crear BCI-ROM para placas completas.
Consejo 5: crea tus modelos según sea necesario
En la práctica, la elección del modelo térmico puede depender en gran medida de lo que esté disponible del proveedor. Incluso hoy en día, encontramos que los proveedores sólo pueden proporcionar información en forma de hojas de datos, por ejemplo, en formato PDF, y es posible que éstas no contengan la información necesaria ni siquiera para el diseño térmico básico. Por ejemplo, la hoja de datos puede contener solo una resistencia térmica de la unión al ambiente, que no se puede utilizar para el diseño, y solo para comparar el rendimiento. JEDEC ha publicado JEP1817, un formato de archivo estándar para el intercambio de datos de simulación térmica. Está basado en XML y utiliza ECXML desarrollado por Siemens, abreviatura de "lenguaje de marcado extensible de refrigeración electrónica".
Esperamos que estos consejos le hayan ayudado a mejorar las predicciones de temperatura de los componentes. Para obtener cinco consejos adicionales, por favor descargue este documento técnico gratuito.
Autor
Dr. John Parry, director industrial de Simcenter, Electrónica y Semiconductores, Software de industrias digitales Siemens
