Baru-baru ini, prediksi keandalan berbasis fisika menghubungkan tingkat kegagalan perangkat elektronik dengan besarnya perubahan suhu selama satu siklus operasional (menyalakan, mematikan, menghidupkan…) dan laju perubahan suhu, yang keduanya dipengaruhi dengan suhu operasi kondisi tunak.
Kegagalan elektronik sering kali disebabkan oleh kelelahan sambungan solder pada interkoneksi papan paket. Dalam beberapa aplikasi, seperti komputasi, yang mengutamakan kinerja, suhu berdampak buruk pada kecepatan. Dalam kasus lain, komponen harus dijalankan pada suhu yang sangat mirip untuk menghindari masalah waktu. Suhu tinggi dapat menyebabkan masalah operasional, seperti kait. Baik tujuannya adalah untuk meningkatkan keandalan, meningkatkan kinerja, atau menghindari masalah selama pengoperasian, prediksi suhu komponen yang akurat membantu perancang termal mencapai tujuan mereka.
Maksimalkan kepastian dalam prediksi suhu komponen
Prediksi suhu komponen yang andal dan akurat memungkinkan desainer memahami seberapa dekat nilai desain dengan suhu maksimum yang diizinkan*. Berikut lima tip untuk mencapai prediksi suhu komponen dengan ketelitian tinggi di seluruh aliran desain dan meningkatkan keyakinan pada hasil simulasi akhir Anda.
Tip 1: Modelkan komponen kunci secara eksplisit
Untuk memprediksi suhu komponen utama secara akurat, komponen tersebut harus dimodelkan secara eksplisit sebagai bagian dari simulasi termal. Namun, tidak semua komponen perlu dimodelkan, dan seringkali tidak praktis untuk dilakukan. Komponen kecil dengan kepadatan daya rendah yang tidak terlalu sensitif terhadap termal dapat dianggap ramah terhadap termal dan tidak perlu direpresentasikan secara terpisah. Panas dari komponen-komponen ini dapat ditambahkan sebagai sumber panas latar belakang yang diterapkan pada seluruh papan atau sebagai sumber panas tapak pada papan. Perangkat lunak simulasi pendinginan elektronik harus menyediakan opsi pemfilteran untuk melakukan ini secara otomatis pada desain akhir ketika tata letak papan yang diisi diimpor dari sistem EDA.
Gambar 1 Model termal pompa insulin, dengan komponen yang dimodelkan pada tingkat detail berbeda
Komponen yang lebih besar dapat mengganggu aliran udara sehingga mengharuskannya direpresentasikan secara langsung sebagai objek 3D. Salah satu kelas komponen yang termasuk dalam kategori ini adalah kapasitor elektrolitik, yang digunakan misalnya pada catu daya. Ini sensitif terhadap termal, dengan suhu maksimum rendah yang diijinkan. Memodelkan kapasitor elektrolitik secara eksplisit dapat membantu memastikan suhu maksimumnya tidak terlampaui.
Komponen besar dan berdaya tinggi serta komponen dengan kepadatan daya tinggi perlu dimodelkan secara terpisah, karena manajemen termal dan pengaruhnya terhadap komponen di sekitarnya penting untuk keseluruhan desain termal produk.
Tip 2: Gunakan perkiraan daya yang baik
Seperti disebutkan di atas, sebagian keputusan mengenai perlu tidaknya merepresentasikan suatu komponen secara langsung bergantung pada kepadatan dayanya, yang merupakan daya komponen dibagi dengan luas tapaknya.
Sebaiknya periksa kembali keputusan tentang komponen mana yang akan dimodelkan secara terpisah seiring dengan berkembangnya desain dan semakin banyak informasi yang tersedia. Pada desain awal, hanya mungkin untuk menggunakan daya pengenal maksimum untuk komponen daripada memperkirakan kemungkinan konsumsi daya. Anggaran daya untuk masing-masing komponen dan papan secara keseluruhan dapat berubah seiring berjalannya desain, sehingga hal ini perlu diperiksa ulang secara berkala.
Gambar 2 Contoh profil daya vs waktu
Tip 3: Gunakan model termal paket yang tepat
Aturan emasnya adalah memulai lebih awal dan memulai dengan sederhana. Insinyur mekanik yang bertanggung jawab atas integritas termal produk harus berusaha memberikan umpan balik yang berguna sebanyak mungkin kepada insinyur elektronik untuk memandu desain mengenai dampak termal dari pilihan mereka, terutama selama desain awal.
Dari sudut pandang insinyur mesin, pada tingkat PCB, hal ini memerlukan bantuan dalam pemilihan paket dan penempatan komponen terbaik untuk memanfaatkan aliran udara sistem untuk pendinginan. Tidak dapat dipungkiri, tata letak dan pemilihan paket terutama didorong oleh kombinasi kinerja elektronik dan pertimbangan biaya. Namun, konsekuensi dari pilihan tersebut terhadap kinerja termal harus dibuat sejelas mungkin, karena suhu dan pendinginan juga mempengaruhi kinerja dan biaya. Pilihan model termal komponen bergantung pada beberapa faktor.
Pada desain awal, sebelum papan dirutekan atau jumlah lapisan pada papan diketahui, prediksi suhu komponen secara akurat tidak mungkin dilakukan, sehingga model komponen yang canggih secara termal tidak diperlukan. Nanti dalam desain, ketika model PCB dapat disempurnakan, model termal komponen juga harus disempurnakan. Pilihan mengenai model termal komponen yang paling tepat bersifat iteratif, karena komponen yang diprediksi menjadi panas* menunjukkan sendiri perlunya menyempurnakan model termal komponen dan mungkin mempertimbangkan solusi manajemen termal khusus komponen. Desain papan dapat menjadi bagian dari solusi manajemen termal, misalnya, menggunakan saluran termal untuk menghantarkan panas ke bidang tanah yang terkubur.
Tip 4: Gunakan model termal kompak dari desain awal
Penting untuk memodelkan komponen secara akurat dan menggunakan representasi 3D komponen dalam desain termal sebelum pemilihan paket. Model termal kompak 2-Resistor dan DELPHI diperkenalkan. Di sini, kami membahas lebih detail keakuratan prediksi model termal ini dan model termal lainnya.
Model 2-Resistor
Sebagaimana disebutkan, model termal kompak 2-Resistor (CTM) adalah model dengan fidelitas terendah yang mampu memprediksi suhu casing dan sambungan. Salah satu keuntungannya adalah tidak memerlukan lebih banyak mesh daripada blok penghantar sederhana, sehingga penggunaan model 2 Resistor tidak berdampak negatif pada waktu simulasi. Meskipun ini memiliki beban komputasi paling rendah, kesalahan terburuk dalam prediksi suhu persimpangan bisa mencapai ±30% dan bervariasi menurut jenis paket dan ukuran paket. Metrik termal resistansi sambungan-ke-kotak dan resistansi sambungan-ke-papan yang menjadi dasar model ini diukur dalam kondisi standar.
Standar JEDEC JESD15-3 mengharuskan resistansi sambungan-ke-papan diukur pada papan 2s2p dengan daya kontinu dan bidang tanah. Resistansi sambungan-ke-kotak diukur dengan menekan bagian atas kemasan pada pelat dingin. Hasilnya, keakuratan prediksi model 2-Resitor semakin tinggi jika aplikasi semakin menyerupai kondisi pengujian.
Untuk ketahanan sambungan-ke-kasus, lingkungan aplikasi yang paling sesuai dengan lingkungan pengujian adalah ketika komponen memiliki heatsink yang menutupi seluruh permukaan paket. Untuk alasan ini model 2-Resistor dapat digunakan untuk menilai ukuran heatsink yang diperlukan.
Perhatikan bahwa permukaan atas model 2 Resistor adalah simpul isotermal yang mewakili casing sehingga dasar unit pendingin akan berada dekat dengan isotermal. Oleh karena itu, model 2-Resistor dapat digunakan untuk menentukan jumlah sirip, ketebalan sirip, dan tinggi sirip yang diperlukan untuk mengurangi hambatan termal sisi udara pada heatsink, namun bukan ketebalan dasar yang diperlukan untuk menyebarkan panas secara memadai guna memastikan panas tersebut. lolos ke sirip luar tidak terlalu dibatasi.
Model Tangga RC
Untuk paket yang memiliki jalur aliran panas tunggal, seperti LED dan paket gaya TO, terdapat pendekatan standar JEDEC 3 untuk mengukur resistor termal-kapasitor model jalur aliran panas dari persimpangan ke tab paket. Perhatikan bahwa metode ini tidak secara langsung memberikan ketahanan termal pada permukaan atas kemasan yang terbuka. Namun, asalkan hal ini dapat diperkirakan dengan beberapa cara, perangkat keras Simcenter Micred T3STER dapat digunakan untuk membuat model termal tangga RC yang mempertimbangkan hal ini.
Simcenter Micred T3STER adalah solusi terdepan di industri untuk mengukur IC yang dikemas untuk membuat model termal ini, yang dapat digunakan langsung sebagai Rakitan Jaringan di Simcenter Flotherm. Berbeda dengan model 2 Resistor yang hanya berisi resistor termal, model ini dilengkapi kapasitor termal dan dapat digunakan untuk simulasi transien. Model ini dapat memberikan hasil yang sangat baik ketika lingkungan aplikasi dekat dengan lingkungan pengujian pelat dingin, misalnya ketika paket disolder ke MCPCB atau bantalan tembaga pada papan dengan konduktivitas tinggi.
Model DELPHI
Model DELPHI dinamakan demikian karena berasal dari Proyek DELPHI yang dikoordinasikan oleh Flomerics Ltd. pada akhir tahun 1990an. Model ini memiliki permukaan atas dan bawah yang dipartisi, dengan matriks resistor termal untuk menghubungkan permukaan ini ke sambungan dan/atau satu sama lain. Resistor termal internal tambahan ini memungkinkan aliran panas melalui jalur-jalur ini di dalam paket untuk menyesuaikan tergantung pada kondisi batas, dan dalam banyak aplikasi, model akan memprediksi keakuratan suhu persimpangan dalam kisaran ±10%, yang merupakan angka terburuk. Secara umum, model DELPHI memadai untuk semua pekerjaan desain termal terperinci kecuali paket yang paling kritis terhadap termal, IC bertumpuk atau 3D, atau jika informasi tambahan diperlukan dari simulasi, misalnya distribusi suhu pada permukaan cetakan. Seperti model 2 Resistor, model ini juga hanya berisi resistor, sehingga hanya dapat digunakan untuk simulasi kondisi tunak.
Model Terperinci
Model detail adalah model termal yang secara terpisah memodelkan semua fitur termal yang relevan dari internal paket. Perhatikan bahwa model ini sering kali mengandung beberapa tingkat perkiraan, karena fitur seperti kabel pengikat individual dan bola solder sering kali disatukan. Namun, model tersebut bertujuan untuk memungkinkan distribusi suhu di dalam kemasan terwakili secara akurat. Jika geometri dan sifat materialnya benar, model tersebut menawarkan fidelitas tertinggi.
Gambar 3 Model termal terperinci dari paket chip
Komponen yang memerlukan solusi manajemen termal tertentu, seperti heatsink, fanink, atau bantalan termal harus dimodelkan secara detail untuk mengoptimalkan solusi pendinginan dengan benar. Misalnya, dalam kasus heatsink, telah lama diketahui bahwa distribusi suhu di dalam kemasan mempengaruhi distribusi suhu di dasar heatsink dan sebaliknya. Oleh karena itu, model termal paket terperinci direkomendasikan untuk tujuan tersebut.
Keuntungan lain dari model terperinci adalah memungkinkan prediksi suhu interkoneksi solder. Geser termomekanis, ditambah dengan perubahan suhu, adalah pemicu utama yang mempengaruhi umur sambungan solder.
Gambar 4 Distribusi suhu di bagian bawah paket BGA yang menunjukkan masing-masing bola soler
BCI-ROM
Kemajuan terbaru dalam memprediksi suhu komponen adalah melalui penggunaan model pesanan tereduksi, atau ROM. ROM sekarang dapat dibuat secara independen dari kondisi batasnya (BCI) dan bukan spesifik untuk lingkungan termal tertentu. Artinya, BCI-ROM dapat dibuat oleh vendor paket, tidak bergantung pada lingkungan termalnya, dan diberikan kepada pengguna akhir untuk digunakan dalam simulasi lingkungan termal tertentu. Mereka tersedia dalam berbagai format, seperti matriks mentah, SPICE, VHDL-AMS, dan FMU. Sekarang ada berbagai opsi pembuatan untuk BCI-ROM dalam Simcenter.
BCI-ROM memiliki karakteristik lain yang sangat diinginkan:
- Mereka sangat akurat, dengan akurasi yang ditentukan sebagai bagian dari proses pembuatan (biasanya > 98%)
- Mendukung berbagai sumber panas
- Mendukung semua rentang waktu sementara
- Sembunyikan IP sensitif sebagai geometri internal model detail induk yang menjadi asal IP tersebut tidak dapat direkayasa ulang dari ROM
- Laporkan suhu persimpangan yang sesuai yang ditentukan oleh vendor tanpa vendor harus mengungkapkan lokasinya dalam model tersebut.
- Selesaikan lipat lebih cepat dibandingkan model detail
Keuntungan utama dari hal ini adalah bahwa mereka dapat dimasukkan dalam simulator sirkuit, seperti Xpedition AMS dan PartQuest Explore, memungkinkan mereka untuk 'mewaspadai suhu', yang merupakan kunci untuk mendapatkan perkiraan daya yang akurat dalam desain awal.
Penggunaan BCI-ROM dalam simulator CFD 3D berpotensi menjadi pengubah permainan dalam rantai pasokan untuk model termal paket, dan BCI-ROM juga dapat dibuat untuk seluruh papan.
Tip 5: Buat model Anda sesuai kebutuhan
Dalam praktiknya, pilihan model termal mungkin sangat bergantung pada apa yang tersedia dari vendor. Bahkan saat ini, kami menemukan vendor hanya menyediakan informasi dalam bentuk lembar data, misalnya PDF, dan ini mungkin tidak berisi informasi yang diperlukan bahkan untuk desain termal dasar. Misalnya, lembar data mungkin hanya berisi ketahanan termal sambungan-ke-ambien, yang tidak dapat digunakan untuk desain, dan hanya perbandingan kinerja. JEDEC telah menerbitkan JEP1817, format file standar untuk pertukaran data simulasi termal. Ini berbasis XML, menggunakan ECXML yang dikembangkan oleh Siemens, kependekan dari 'bahasa mark-up yang dapat diperluas pendingin elektronik'.
Kami berharap tips ini mengawali perjalanan Anda untuk meningkatkan prediksi suhu komponen. Untuk lima tips tambahan, silakan unduh whitepaper gratis ini.
Pengarang
John Parry, Direktur Industri Simcenter, Elektronik & Semikonduktor, Perangkat Lunak Industri Digital Siemens
