Più recentemente, la previsione dell'affidabilità basata sulla fisica ha correlato i tassi di guasto dei gruppi elettronici all'entità della variazione di temperatura durante un ciclo operativo (accensione, spegnimento, accensione...) e alla velocità di variazione della temperatura, entrambi influenzati dalla temperatura operativa stazionaria.
I guasti dell'elettronica sono spesso attribuiti all'affaticamento dei giunti di saldatura nell'interconnessione della scheda elettronica. In alcune applicazioni, come l'informatica, dove le prestazioni sono fondamentali, la temperatura influisce negativamente sulla velocità. In altri casi, i componenti devono funzionare a temperature molto simili per evitare problemi di temporizzazione. Le alte temperature possono causare problemi operativi, come il latchup. Che l'intenzione sia quella di aumentare l'affidabilità, migliorare le prestazioni o evitare problemi durante il funzionamento, la previsione accurata delle temperature dei componenti aiuta i progettisti termici a raggiungere i loro obiettivi.
Massimizza la certezza nella previsione della temperatura dei componenti
Una previsione affidabile e accurata delle temperature dei componenti consente ai progettisti di comprendere quanto i valori di progetto si avvicinano alla temperatura massima consentita*. Ecco cinque suggerimenti per ottenere una previsione della temperatura dei componenti ad alta fedeltà durante tutto il flusso di progettazione e acquisire maggiore fiducia nei risultati finali della simulazione.
Suggerimento 1: modellare esplicitamente i componenti chiave
Per prevedere con precisione la temperatura di un componente chiave, il componente deve essere modellato esplicitamente come parte della simulazione termica. Tuttavia, non è necessario modellare tutti i componenti e spesso è poco pratico farlo. Piccoli componenti con una bassa densità di potenza che non sono particolarmente sensibili al calore possono essere considerati termicamente benigni e non necessitano di essere rappresentati in modo discreto. Il calore proveniente da questi componenti può essere aggiunto come fonte di calore di fondo applicata sull'intera scheda o come fonte di calore di impronta sulla scheda. Il software di simulazione del raffreddamento dei componenti elettronici dovrebbe fornire opzioni di filtraggio per eseguire questa operazione automaticamente nella fase finale della progettazione quando il layout della scheda popolata viene importato dal sistema EDA.
Figura 1 Modello termico di una pompa per insulina, con componenti modellati a diversi livelli di dettaglio
Componenti più grandi potrebbero disturbare il flusso d'aria, richiedendo che siano rappresentati direttamente come oggetti 3D. Una classe di componenti che possono rientrare in questa categoria sono i condensatori elettrolitici, utilizzati, ad esempio, negli alimentatori. Questi sono termicamente sensibili, con una temperatura massima consentita bassa. La modellazione esplicita dei condensatori elettrolitici può aiutare a garantire che la loro temperatura massima non venga superata.
I componenti di grandi dimensioni e ad alta potenza e i componenti con elevata densità di potenza dovranno essere modellati in modo discreto, poiché la loro gestione termica e l'influenza sui componenti vicini sono importanti per la progettazione termica complessiva del prodotto.
Suggerimento 2: utilizzare buone stime di potenza
Come notato sopra, parte della decisione se sia necessario rappresentare un componente dipende direttamente dalla sua densità di potenza, che è la potenza del componente divisa per la sua area di impronta.
Vale la pena ricontrollare le decisioni su quali componenti modellare in modo discreto man mano che il progetto evolve e diventano disponibili maggiori informazioni. Nella progettazione iniziale, potrebbe essere possibile utilizzare solo la potenza nominale massima del componente invece di stimare il probabile consumo energetico. I budget di potenza per i singoli componenti e per la scheda nel suo insieme possono cambiare nel corso della progettazione, quindi devono essere ricontrollati regolarmente.
Figura 2 Esempio di profilo potenza/tempo
Suggerimento 3: utilizzare il modello termico del pacchetto corretto
La regola d'oro è iniziare presto e iniziare in modo semplice. L'ingegnere meccanico responsabile dell'integrità termica del prodotto dovrebbe mirare a fornire il maggior numero possibile di feedback utili agli ingegneri elettronici per guidare la progettazione sull'impatto termico delle loro scelte, soprattutto durante la fase iniziale della progettazione.
Dal punto di vista dell'ingegnere meccanico, a livello di PCB, ciò implica aiutare nella selezione del pacchetto e nel miglior posizionamento dei componenti per utilizzare il flusso d'aria del sistema per il raffreddamento. Inevitabilmente, sia il layout che la scelta del pacchetto sono guidati principalmente da una combinazione di prestazioni elettroniche e considerazioni sui costi. Tuttavia, le conseguenze di tali scelte sulle prestazioni termiche dovrebbero essere rese il più chiare possibile, poiché anche la temperatura e il raffreddamento influiscono su prestazioni e costi. La scelta del modello termico del componente dipende da diversi fattori.
Nella fase iniziale della progettazione, prima che la scheda venga instradata o prima che sia noto il numero di strati della scheda, non è semplicemente possibile prevedere con precisione la temperatura del componente, quindi non è necessario un modello termicamente sofisticato del componente. Successivamente nella progettazione, quando sarà possibile perfezionare il modello del PCB, sarà necessario perfezionare anche il modello termico del componente. Le scelte sul modello termico del componente più appropriato sono iterative, poiché i componenti previsti essere caldi* indicano automaticamente la necessità di perfezionare il modello termico del componente e magari prendere in considerazione una soluzione di gestione termica specifica del componente. Il design della scheda può far parte di tale soluzione di gestione termica, ad esempio, utilizzando vie termiche per condurre il calore verso un piano interrato.
Suggerimento 4: utilizzare modelli termici compatti fin dalla progettazione iniziale
È importante modellare i componenti in modo accurato e utilizzare una rappresentazione 3D del componente nella progettazione termica prima della selezione del pacchetto. Sono stati introdotti i modelli termici compatti a 2 resistori e DELPHI. Qui discutiamo più in dettaglio l’accuratezza predittiva di questi e altri modelli termici.
Modelli a 2 resistori
Come notato, un modello termico compatto (CTM) a 2 resistori è il modello con la fedeltà più bassa in grado di prevedere sia la temperatura del case che quella della giunzione. Un vantaggio è che non richiede più mesh di un semplice blocco conduttore, quindi l'utilizzo di modelli a 2 resistori non ha alcun impatto negativo sul tempo di simulazione. Sebbene questo comporti il carico computazionale più basso, l'errore nel caso peggiore nella previsione della temperatura di giunzione può raggiungere il ±30% e varia sia in base al tipo che alle dimensioni del pacchetto. I parametri termici della resistenza giunzione-involucro e della resistenza giunzione-scheda su cui si basa questo modello sono misurati in condizioni standardizzate.
Lo standard JEDEC JESD15-3 richiede che la resistenza dalla giunzione alla scheda venga misurata su una scheda 2s2p con alimentazione continua e piani di terra. La resistenza giunzione-involucro viene misurata premendo la parte superiore del contenitore contro una piastra fredda. Di conseguenza, la precisione predittiva del modello a 2 resistori è tanto maggiore quanto più l'applicazione si avvicina alle condizioni di test.
Per la resistenza giunzione-involucro, l'ambiente applicativo che corrisponde maggiormente all'ambiente di test è quando il componente ha un dissipatore di calore che copre l'intera superficie del package. Per questo motivo è possibile utilizzare i modelli a 2 resistori per valutare inizialmente la dimensione del dissipatore di calore richiesto.
Si noti che la superficie superiore di un modello a 2 resistori è un nodo isotermico che rappresenta il case in modo che la base del dissipatore di calore venga mantenuta vicino all'isoterma. È quindi possibile utilizzare un modello a 2 resistori per determinare il numero di alette, lo spessore e l'altezza delle alette necessari per ridurre la resistenza termica lato aria del dissipatore di calore, ma non lo spessore della base necessario per diffondere adeguatamente il calore e garantire che il calore il passaggio alle pinne esterne non è eccessivamente limitato.
Modelli di scale RC
Per i pacchetti che hanno un singolo percorso del flusso di calore, come i LED e i pacchetti di tipo TO, esiste un approccio standard JEDEC 3 per la misurazione di un resistore termico.condensatore modello del percorso del flusso di calore dalla giunzione fino alla linguetta del pacchetto. Si noti che questo metodo non fornisce direttamente resistenza termica alla superficie superiore esposta della confezione. Tuttavia, a condizione che ciò possa essere stimato in qualche modo, l'hardware Simcenter Micred T3STER può essere utilizzato per creare un modello termico RC-ladder che ne tenga conto.
Simcenter Micred T3STER è la soluzione leader del settore per la misurazione dei circuiti integrati confezionati per creare questi modelli termici, che possono essere utilizzati direttamente come gruppo di rete in Simcenter Flotherm. A differenza dei modelli a 2 resistori, che contengono solo resistori termici, questi modelli includono condensatori termici e possono essere utilizzati per simulazioni transitorie. Questi modelli possono fornire risultati eccellenti quando l'ambiente applicativo è vicino a quello dell'ambiente della piastra fredda di prova, ad esempio quando il contenitore è saldato a un MCPCB o ad un pad di rame su una scheda ad alta conduttività.
Modelli DELFI
I modelli DELPHI sono così chiamati perché hanno avuto origine dal progetto DELPHI coordinato da Flomerics Ltd. alla fine degli anni '1990. Questi modelli hanno superfici superiore e inferiore suddivise, con una matrice di resistori termici per collegare queste superfici alla giunzione e/o tra loro. Questi resistori termici interni aggiuntivi consentono al flusso di calore attraverso questi percorsi all'interno del pacchetto di adattarsi in base alle condizioni al contorno e, in molte applicazioni, il modello prevederà la precisione della temperatura di giunzione ben entro ±10%, ovvero il valore del caso peggiore. In generale, i modelli DELPHI sono adeguati per il lavoro di progettazione termica dettagliata di tutti i contenitori, tranne quelli termicamente più critici, circuiti integrati impilati o 3D, o dove sono necessarie informazioni aggiuntive dalla simulazione, ad esempio la distribuzione della temperatura sulla superficie dello stampo. Come i modelli a 2 resistori, contengono solo resistori, quindi possono essere utilizzati solo per la simulazione dello stato stazionario.
Modelli dettagliati
I modelli dettagliati sono modelli termici che modellano in modo discreto tutte le caratteristiche termicamente rilevanti degli interni del pacchetto. Si noti che questi modelli spesso contengono un certo grado di approssimazione, poiché caratteristiche come i singoli fili di collegamento e le sfere di saldatura sono spesso raggruppate insieme. Tuttavia, tali modelli mirano a consentire una rappresentazione accurata della distribuzione della temperatura all'interno della confezione. Se la geometria e le proprietà del materiale sono corrette, tali modelli offrono la massima fedeltà.
Figura 3 Modello termico dettagliato di un pacchetto di chip
I componenti che richiedono soluzioni specifiche di gestione termica, come un dissipatore di calore, una ventola o un pad termico, dovrebbero essere modellati in dettaglio per ottimizzare correttamente la soluzione di raffreddamento. Ad esempio nel caso di un dissipatore di calore è noto da tempo che la distribuzione della temperatura nel package influenza la distribuzione della temperatura nel fondo del dissipatore di calore e viceversa. Di conseguenza, per tali scopi si consigliano modelli termici dettagliati del pacchetto.
Un altro vantaggio dei modelli dettagliati è che consentono di prevedere la temperatura dell'interconnessione di saldatura. Il taglio termomeccanico, abbinato al cambiamento di temperatura, è il principale fattore di stress che influisce sulla durata del giunto di saldatura.
Figura 4 Distribuzione della temperatura sul lato inferiore di una confezione BGA che mostra le singole sfere di solettatura
BCI-ROM
Un recente progresso nella previsione delle temperature dei componenti avviene attraverso l'uso di modelli di ordine ridotto, o ROM. Le ROM possono ora essere create indipendentemente dalle loro condizioni al contorno (BCI) piuttosto che specifiche per un dato ambiente termico. Ciò significa che le BCI-ROM possono essere create dai fornitori di pacchetti, indipendentemente dal loro ambiente termico, e fornite agli utenti finali per l’utilizzo nella simulazione di un ambiente termico specifico. Sono disponibili in una varietà di formati, come matrici grezze, SPICE, VHDL-AMS e FMU. Ora è disponibile una gamma di opzioni di creazione per BCI-ROM all'interno di Simcenter.
Le BCI-ROM hanno altre caratteristiche molto desiderabili:
- Sono estremamente accurati, con la precisione definita come parte del processo di creazione (tipicamente > 98%)
- Supporta più fonti di calore
- Supporta tutti i tempi transitori
- Nascondi IP sensibili poiché la geometria interna del modello dettagliato principale da cui derivano non può essere decodificata dalla ROM
- Segnala la temperatura di giunzione appropriata definita dal fornitore senza che il fornitore debba rivelare dove si trova all'interno del modello.
- Risolvi ordini di grandezza più velocemente rispetto ai modelli dettagliati
Uno dei principali vantaggi di ciò è che possono essere inclusi nei simulatori di circuiti, come Xpedition AMS e PartQuest Explore, consentendo loro di essere "consapevoli della temperatura", che è la chiave per ottenere stime di potenza accurate nelle prime fasi della progettazione.
L'uso di BCI-ROM all'interno dei simulatori CFD 3D ha il potenziale per cambiare le regole del gioco nella catena di fornitura per i modelli termici dei pacchetti e le BCI-ROM possono anche essere create per intere schede.
Suggerimento 5: crea i tuoi modelli come richiesto
In pratica, la scelta del modello termico può dipendere in gran parte da ciò che è disponibile presso il fornitore. Ancora oggi, troviamo che i fornitori possono fornire informazioni solo sotto forma di schede tecniche, ad esempio in formato PDF, e queste potrebbero non contenere le informazioni necessarie nemmeno per la progettazione termica di base. Ad esempio, la scheda tecnica può contenere solo la resistenza termica dalla giunzione all'ambiente, che non può essere utilizzata per la progettazione, e solo il confronto delle prestazioni. JEDEC ha pubblicato JEP1817, un formato file standard per lo scambio di dati di simulazione termica. È basato su XML e utilizza ECXML sviluppato da Siemens, abbreviazione di "linguaggio di markup estensibile per il raffreddamento dell'elettronica".
Ci auguriamo che questi suggerimenti abbiano dato inizio al tuo viaggio verso il miglioramento delle previsioni sulla temperatura dei componenti. Per altri cinque suggerimenti, per favore scarica questo white paper gratuito.
Autore
Dr. John Parry, Direttore del settore Simcenter, Elettronica e Semiconduttore, Software Siemens Digital Industries
