Plus récemment, la prédiction de la fiabilité basée sur la physique a associé les taux de défaillance des assemblages électroniques à l'ampleur du changement de température au cours d'un cycle de fonctionnement (mise sous tension, hors tension, mise sous tension…) et au taux de changement de température, qui sont tous deux influencés. par température de fonctionnement en régime permanent.
Les pannes électroniques sont souvent attribuées à la fatigue des joints de soudure au niveau de l'interconnexion de la carte. Dans certaines applications, comme l’informatique, où les performances sont essentielles, la température affecte négativement la vitesse. Dans d’autres cas, les composants doivent fonctionner à des températures très similaires pour éviter les problèmes de synchronisation. Des températures élevées peuvent entraîner des problèmes de fonctionnement, tels qu'un verrouillage. Que l'intention soit d'augmenter la fiabilité, d'améliorer les performances ou d'éviter des problèmes pendant le fonctionnement, une prévision précise des températures des composants aide les concepteurs thermiques à atteindre leurs objectifs.
Maximiser la certitude dans la prévision de la température des composants
Une prédiction fiable et précise des températures des composants permet aux concepteurs de comprendre à quel point les valeurs de conception se rapprochent de la température maximale autorisée*. Voici cinq conseils pour obtenir une prévision haute fidélité de la température des composants tout au long du flux de conception et gagner en confiance dans vos résultats de simulation finaux.
Astuce 1 : Modélisez explicitement les composants clés
Pour prédire avec précision la température d'un composant clé, celui-ci doit être modélisé explicitement dans le cadre de la simulation thermique. Cependant, il n’est pas nécessaire de modéliser tous les composants, et cela s’avère souvent peu pratique. Les petits composants à faible densité de puissance qui ne sont pas particulièrement sensibles à la chaleur peuvent être considérés comme thermiquement inoffensifs et n'ont pas besoin d'être représentés discrètement. La chaleur de ces composants peut être ajoutée comme source de chaleur de fond appliquée sur l'ensemble de la carte ou comme source de chaleur d'empreinte sur la carte. Le logiciel de simulation de refroidissement électronique doit fournir des options de filtrage pour le faire automatiquement en fin de conception lorsque la disposition de la carte remplie est importée du système EDA.
Figure 1 Modèle thermique d'une pompe à insuline, avec des composants modélisés à différents niveaux de détail
Les composants plus gros peuvent perturber le flux d'air, ce qui nécessite leur représentation directe sous forme d'objets 3D. Une classe de composants pouvant entrer dans cette catégorie est celle des condensateurs électrolytiques, utilisés, par exemple, dans les alimentations. Ceux-ci sont thermiquement sensibles, avec une faible température maximale autorisée. La modélisation explicite des condensateurs électrolytiques peut contribuer à garantir que leur température maximale ne soit pas dépassée.
Les composants de grande taille et à haute puissance ainsi que les composants à densité de puissance élevée devront être modélisés de manière discrète, car leur gestion thermique et leur influence sur les composants voisins sont importantes pour la conception thermique globale du produit.
Astuce 2 : Utilisez de bonnes estimations de puissance
Comme indiqué ci-dessus, une partie de la décision quant à la nécessité de représenter un composant dépend directement de sa densité de puissance, qui est la puissance du composant divisée par sa surface d'empreinte.
Il est utile de revérifier les décisions concernant les composants à modéliser discrètement à mesure que la conception évolue et que davantage d'informations deviennent disponibles. Au début de la conception, il peut être uniquement possible d'utiliser la puissance nominale maximale du composant au lieu d'estimer la consommation électrique probable. Les budgets de puissance pour les composants individuels et la carte dans son ensemble peuvent changer au cours de la conception, ils doivent donc être revérifiés régulièrement.
Figure 2 Exemple de profil puissance/temps
Astuce 3 : Utilisez le bon modèle thermique de package
La règle d’or est de commencer tôt et simple. L'ingénieur mécanique responsable de l'intégrité thermique du produit doit s'efforcer de fournir autant de commentaires utiles que possible aux ingénieurs électroniciens pour guider la conception sur l'impact thermique de leurs choix, en particulier au début de la conception.
Du point de vue de l'ingénieur en mécanique, au niveau des PCB, cela implique d'aider à la sélection du boîtier et au meilleur positionnement des composants afin d'utiliser le flux d'air du système pour le refroidissement. Inévitablement, la configuration et le choix du package sont principalement déterminés par une combinaison de considérations de performances électroniques et de coûts. Néanmoins, les conséquences de ces choix sur les performances thermiques doivent être aussi claires que possible, car la température et le refroidissement affectent également les performances et les coûts. Le choix du modèle thermique des composants dépend de plusieurs facteurs.
Au début de la conception, avant que la carte ne soit acheminée ou que le nombre de couches de la carte ne soit connu, une prévision précise de la température des composants n'est tout simplement pas possible, de sorte qu'un modèle thermiquement sophistiqué du composant n'est pas nécessaire. Plus tard dans la conception, lorsque le modèle du PCB pourra être affiné, le modèle thermique des composants devra également être affiné. Les choix concernant le modèle thermique de composant le plus approprié sont itératifs, car les composants prédits comme étant chauds* indiquent automatiquement la nécessité d'affiner le modèle thermique du composant et peut-être d'envisager une solution de gestion thermique spécifique au composant. La conception de la carte peut faire partie de cette solution de gestion thermique, par exemple en utilisant des vias thermiques pour conduire la chaleur vers un plan de masse enterré.
Astuce 4 : Utilisez des modèles thermiques compacts dès les premières conceptions
Il est important de modéliser les composants avec précision et d'utiliser une représentation 3D du composant dans la conception thermique avant la sélection du package. Des modèles thermiques compacts à 2 résistances et DELPHI ont été introduits. Ici, nous discutons plus en détail de la précision prédictive de ces modèles thermiques et d’autres.
Modèles à 2 résistances
Comme indiqué, un modèle thermique compact (CTM) à 2 résistances est le modèle de fidélité le plus bas capable de prédire à la fois les températures du boîtier et des jonctions. L'un des avantages est qu'il ne nécessite pas plus de maillage qu'un simple bloc conducteur. L'utilisation de modèles à 2 résistances n'a donc aucun impact négatif sur le temps de simulation. Bien que cela représente la charge de calcul la plus faible, l'erreur dans le pire des cas dans la prévision de la température de jonction peut atteindre ± 30 % et varie en fonction du type et de la taille du boîtier. Les mesures thermiques de résistance jonction-boîtier et de résistance jonction-carte sur lesquelles ce modèle est basé sont mesurées dans des conditions standardisées.
La norme JEDEC JESD15-3 exige que la résistance de la jonction à la carte soit mesurée sur une carte 2s2p avec une alimentation continue et des plans de masse. La résistance jonction-boîtier est mesurée en appuyant le haut de l'emballage contre une plaque froide. En conséquence, la précision prédictive du modèle à 2 résiteurs est d’autant plus élevée que l’application ressemble davantage aux conditions de test.
Pour la résistance jonction-boîtier, l'environnement d'application qui correspond le plus à l'environnement de test est celui où le composant possède un dissipateur thermique couvrant toute la surface du boîtier. Pour cette raison, les modèles à 2 résistances peuvent être utilisés pour évaluer initialement la taille du dissipateur thermique requise.
Notez que la surface supérieure d'un modèle à 2 résistances est un nœud isotherme représentant le boîtier, de sorte que la base du dissipateur thermique sera maintenue proche de l'isotherme. Un modèle à 2 résistances peut donc être utilisé pour déterminer le nombre d'ailettes, l'épaisseur et la hauteur des ailettes nécessaires pour réduire la résistance thermique côté air du dissipateur thermique, mais pas l'épaisseur de la base nécessaire pour répartir adéquatement la chaleur afin de garantir que la chaleur le passage vers les ailerons extérieurs n'est pas trop restreint.
Modèles d'échelle RC
Pour les boîtiers dotés d'un seul chemin de flux de chaleur, tels que les LED et les boîtiers de type TO, il existe une approche standard JEDEC 3 pour mesurer une résistance thermique.condensateur modèle du chemin du flux de chaleur depuis la jonction jusqu'à l'onglet du package. Notez que cette méthode ne fournit pas directement de résistance thermique à la surface supérieure exposée de l’emballage. Cependant, à condition que cela puisse être estimé par certains moyens, le matériel Simcenter Micred T3STER peut être utilisé pour créer un modèle thermique d'échelle RC qui en tient compte.
Simcenter Micred T3STER est la solution leader du secteur pour mesurer les circuits intégrés en boîtier afin de créer ces modèles thermiques, qui peuvent être utilisés directement comme assemblage de réseau dans Simcenter Flotherm. Contrairement aux modèles à 2 résistances, qui contiennent uniquement des résistances thermiques, ces modèles incluent des condensateurs thermiques et peuvent être utilisés pour des simulations transitoires. Ces modèles peuvent donner d'excellents résultats lorsque l'environnement d'application est proche de celui de la plaque froide de test, par exemple lorsque le boîtier est soudé à un MCPCB ou à une pastille de cuivre sur une carte à haute conductivité.
Modèles DELPHI
Les modèles DELPHI portent ce nom car ils sont issus du projet DELPHI coordonné par Flomerics Ltd. à la fin des années 1990. Ces modèles comportent des surfaces supérieure et inférieure cloisonnées, avec une matrice de résistances thermiques pour relier ces surfaces à la jonction et/ou entre elles. Ces résistances thermiques internes supplémentaires permettent au flux de chaleur à travers ces chemins à l'intérieur du boîtier de s'ajuster en fonction des conditions limites, et dans de nombreuses applications, le modèle prédit la précision de la température de jonction à ± 10 %, ce qui constitue le pire des cas. En général, les modèles DELPHI conviennent aux travaux de conception thermique détaillés de tous les boîtiers, à l'exception des boîtiers les plus critiques thermiquement, des circuits intégrés empilés ou 3D, ou lorsque des informations supplémentaires sont nécessaires à partir de la simulation, par exemple la répartition de la température sur la surface de la puce. Comme les modèles à 2 résistances, ils ne contiennent que des résistances et ne peuvent donc être utilisés que pour la simulation en régime permanent.
Modèles détaillés
Les modèles détaillés sont des modèles thermiques qui modélisent discrètement toutes les caractéristiques thermiquement pertinentes des composants internes du boîtier. Notez que ces modèles contiennent souvent un certain degré d'approximation, car des caractéristiques telles que les fils de liaison individuels et les billes de soudure sont souvent regroupées. Cependant, ces modèles visent à permettre de représenter avec précision la répartition de la température au sein de l’emballage. Si la géométrie et les propriétés des matériaux sont correctes, ces modèles offrent la plus haute fidélité.
Figure 3 Modèle thermique détaillé d'un boîtier de puce
Les composants qui nécessitent des solutions de gestion thermique spécifiques, tels qu'un dissipateur thermique, un dissipateur de ventilateur ou un coussin thermique, doivent être modélisés en détail pour optimiser correctement la solution de refroidissement. Par exemple, dans le cas d'un dissipateur thermique, on sait depuis longtemps que la répartition de la température dans le boîtier influence la répartition de la température dans la base du dissipateur thermique et vice versa. Par conséquent, des modèles thermiques détaillés des emballages sont recommandés à ces fins.
Un autre avantage des modèles détaillés est qu’ils permettent de prédire la température de l’interconnexion de soudure. Le cisaillement thermomécanique, associé aux changements de température, est le principal facteur de stress affectant la durée de vie des joints de soudure.
Figure 4 Répartition de la température sur la face inférieure d'un boîtier BGA montrant des billes de soler individuelles
BCI-ROM
Une avancée récente dans la prévision des températures des composants réside dans l’utilisation de modèles d’ordre réduit, ou ROM. Les ROM peuvent désormais être créées indépendamment de leurs conditions aux limites (BCI) plutôt que spécifiques à un environnement thermique donné. Cela signifie que les BCI-ROM peuvent être créées par des fournisseurs de packages, indépendamment de leur environnement thermique, et fournies aux utilisateurs finaux pour être utilisées dans la simulation d'un environnement thermique spécifique. Ils sont disponibles dans une variété de formats, tels que les matrices brutes, SPICE, VHDL-AMS et FMU. Il existe désormais une gamme d'options de création de BCI-ROM dans Simcenter.
Les BCI-ROM ont d'autres caractéristiques très souhaitables :
- Ils sont très précis, la précision étant définie dans le cadre du processus de création (généralement > 98 %)
- Prend en charge plusieurs sources de chaleur
- Prend en charge toutes les échelles de temps transitoires
- Masquer les adresses IP sensibles, car la géométrie interne du modèle détaillé parent dont elles sont dérivées ne peut pas faire l'objet d'une ingénierie inverse à partir de la ROM.
- Signalez la température de jonction appropriée définie par le fournisseur sans que celui-ci ait à révéler où elle se trouve dans le modèle.
- Résolvez des ordres de grandeur plus rapidement que les modèles détaillés
Un avantage majeur est qu'ils peuvent être inclus dans des simulateurs de circuits, comme Xpedition AMS et PartQuest Explore, ce qui leur permet d'être « conscients de la température », ce qui est essentiel pour obtenir des estimations de puissance précises dès les premières conceptions.
L'utilisation de BCI-ROM dans les simulateurs CFD 3D a le potentiel de changer la donne dans la chaîne d'approvisionnement pour les modèles thermiques d'emballages, et des BCI-ROM peuvent également être créées pour des cartes entières.
Astuce 5 : Créez vos modèles selon vos besoins
En pratique, le choix du modèle thermique peut dépendre largement de ce qui est disponible auprès du vendeur. Même aujourd'hui, nous constatons que les fournisseurs ne peuvent fournir des informations que sous la forme d'une fiche technique, par exemple au format PDF, et que celles-ci peuvent ne pas contenir les informations nécessaires, même pour une conception thermique de base. Par exemple, la fiche technique peut contenir uniquement une résistance thermique entre la jonction et la température ambiante, qui ne peut pas être utilisée pour la conception, et uniquement une comparaison des performances. JEDEC a publié JEP1817, un format de fichier standard pour l'échange de données de simulation thermique. Il est basé sur XML et utilise ECXML développé par Siemens, abréviation de « langage de balisage extensible pour le refroidissement électronique ».
Nous espérons que ces conseils vous ont aidé à améliorer les prévisions de température des composants. Pour cinq conseils supplémentaires, veuillez télécharger ce livre blanc gratuit.
Auteur
Dr John Parry, directeur de l'industrie Simcenter, électronique et Semi-conducteurs, Logiciel Siemens Digital Industries
