לאחרונה, חיזוי מהימנות מבוסס פיזיקה קשר את שיעורי הכשל של מכלולים אלקטרוניים לגודל שינוי הטמפרטורה במהלך מחזור פעולה (הפעלה, כיבוי, הדלקה...) וקצב שינוי הטמפרטורה, שניהם מושפעים. על ידי טמפרטורת הפעלה במצב יציב.
כשלים אלקטרוניים מיוחסים לעתים קרובות לעייפות מפרקי הלחמה בחיבור הלוח החבילה. ביישומים מסוימים, כמו מחשוב, שבהם הביצועים הם המפתח, הטמפרטורה משפיעה לרעה על המהירות. במקרים אחרים, רכיבים צריכים לפעול בטמפרטורות דומות מאוד כדי למנוע בעיות תזמון. טמפרטורות גבוהות עלולות לגרום לבעיות תפעוליות, כגון נעילה. בין אם הכוונה היא להגביר את האמינות, לשפר את הביצועים או להימנע מבעיות במהלך הפעולה, חיזוי מדויק של טמפרטורות רכיבים מסייע למעצבים תרמיים להשיג את מטרותיהם.
מקסימום וודאות בחיזוי טמפרטורת רכיב
חיזוי אמין ומדויק של טמפרטורות רכיבים מאפשר למעצבים להבין עד כמה קרובים ערכי התכנון לטמפרטורה המקסימלית המותרת*. להלן חמישה טיפים להשגת חיזוי טמפרטורת רכיבים בנאמנות גבוהה על פני זרימת התכנון ולהשגת ביטחון מוגבר בתוצאות הסימולציה הסופיות שלך.
טיפ 1: דגם רכיבי מפתח במפורש
כדי לחזות במדויק את הטמפרטורה של רכיב מפתח, יש לעצב את הרכיב במפורש כחלק מהסימולציה התרמית. עם זאת, לא צריך לעצב את כל הרכיבים, ולעתים קרובות זה לא מעשי לעשות זאת. רכיבים קטנים בעלי צפיפות הספק נמוכה שאינם רגישים תרמית במיוחד יכולים להיחשב כשירים תרמית ואין צורך לייצוג באופן דיסקרטי. ניתן להוסיף חום ממרכיבים אלה כמקור חום רקע המופעל על הלוח כולו או כמקור חום על הלוח. תוכנת הדמיית קירור אלקטרונית צריכה לספק אפשרויות סינון לעשות זאת באופן אוטומטי בתכנון מאוחר כאשר פריסת הלוח המאוכלס מיובאת ממערכת ה-EDA.
איור 1 מודל תרמי של משאבת אינסולין, עם רכיבים המעוצבים ברמות שונות של פירוט
רכיבים גדולים יותר עלולים לשבש את זרימת האוויר, ולחייב אותם להיות מיוצגים ישירות כאובייקטים תלת מימדיים. סוג אחד של רכיבים שיכול להיכנס לקטגוריה זו הוא קבלים אלקטרוליטיים, המשמשים, למשל, בספקי כוח. אלה רגישים תרמית, עם טמפרטורה מקסימלית מותרת נמוכה. מודלים מפורשים של קבלים אלקטרוליטיים יכול לעזור להבטיח שהטמפרטורה המקסימלית שלהם לא תחרוג.
רכיבים ורכיבים גדולים ובעלי הספק גבוה עם צפיפות הספק גבוהה יצטרכו להיות מודלים באופן דיסקרטי, שכן הניהול התרמי והשפעתם על רכיבים שכנים חשובים לתכנון התרמי הכולל של המוצר.
טיפ 2: השתמש בהערכות כוח טובות
כפי שצוין לעיל, חלק מההחלטה האם יש צורך לייצג רכיב תלוי ישירות בצפיפות ההספק שלו, שהיא הספק הרכיב חלקי שטח טביעת הרגל שלו.
כדאי לבדוק מחדש החלטות לגבי אילו רכיבים לדגמן באופן דיסקרטי ככל שהעיצוב מתפתח ומידע נוסף הופך זמין. בתכנון מוקדם, ייתכן שניתן יהיה להשתמש רק בהספק המדורג המרבי עבור הרכיב במקום להעריך את צריכת החשמל הצפויה. תקציבי הספק עבור רכיבים בודדים והלוח בכללותו יכולים להשתנות במהלך התכנון, ולכן יש לבדוק אותם מחדש באופן קבוע.
איור 2 דוגמה לפרופיל הספק מול זמן
טיפ 3: השתמש בדגם התרמי הנכון של החבילה
כלל הזהב הוא להתחיל מוקדם ולהתחיל פשוט. מהנדס המכונות האחראי על השלמות התרמית של המוצר צריך לשאוף לספק משוב שימושי רב ככל האפשר למהנדסי האלקטרוניקה כדי להנחות את התכנון לגבי ההשפעה התרמית של הבחירות שלהם, במיוחד במהלך התכנון המוקדם.
מנקודת המבט של מהנדס המכונות, ברמת ה-PCB, הדבר כרוך בסיוע בבחירת החבילה ובמיקום הטוב ביותר של רכיבים כדי לנצל את זרימת האוויר של המערכת לקירור. באופן בלתי נמנע, גם הפריסה וגם בחירת החבילה מונעים בעיקר על ידי שילוב של ביצועים אלקטרוניים ושיקולי עלות. ובכל זאת, ההשלכות של בחירות אלו על הביצועים התרמיים צריכות להיות ברורות ככל האפשר, שכן טמפרטורה וקירור משפיעים גם על הביצועים והעלות. בחירת הדגם התרמי של הרכיב תלויה במספר גורמים.
בתכנון מוקדם, לפני ניתוב הלוח או שמספר השכבות בלוח ידוע, חיזוי טמפרטורת רכיב מדויק אינו אפשרי, ולכן לא נדרש מודל מתוחכם תרמית של הרכיב. בהמשך התכנון, כאשר ניתן לשכלל את דגם ה-PCB, יש לשכלל גם את הדגם התרמי הרכיב. הבחירות לגבי המודל התרמי המתאים ביותר של הרכיבים הינן איטרטיביות, שכן רכיבים שנצפו להיות חמים* מצביעים בעצמם על הצורך לחדד את המודל התרמי של הרכיב ואולי לשקול פתרון ניהול תרמי ספציפי לרכיבים. עיצוב הלוח יכול להוות חלק מאותו פתרון ניהול תרמי, למשל, שימוש במעברים תרמיים להובלת חום למישור הארקה קבור.
טיפ 4: השתמש במודלים תרמיים קומפקטיים מהתכנון המוקדם
חשוב לדגמן רכיבים בצורה מדויקת ולהשתמש בייצוג תלת מימדי של הרכיב בתכנון התרמי לפני בחירת החבילה. הוצגו דגמים תרמיים קומפקטיים של 3 נגדים ו-DELPHI. כאן, אנו דנים ביתר פירוט על דיוק הניבוי של מודלים תרמיים אלה ואחרים.
דגמי 2 נגדים
כפי שצוין, דגם תרמי קומפקטי עם 2 נגדים (CTM) הוא מודל הנאמנות הנמוכה ביותר המסוגל לחזות את טמפרטורות המקרה והצומת כאחד. יתרון אחד הוא שהוא אינו דורש יותר רשת מאשר בלוק הולכה פשוט, כך שלשימוש במודלים של 2 נגדים אין השפעה שלילית על זמן הסימולציה. למרות שהעומס החישובי הוא הנמוך ביותר, השגיאה במקרה הגרוע בחיזוי טמפרטורת הצומת יכולה להגיע עד ±30% ומשתנה בהתאם לסוג החבילה ולגודל החבילה. המדדים התרמיים של התנגדות צומת למארז והתנגדות חיבור ללוח, נמדדים בתנאים סטנדרטיים.
תקן JEDEC JESD15-3 מחייב את התנגדות הצומת ללוח להימדד על לוח 2s2p עם כוח רציף והארקה. התנגדות הצומת למארז נמדדת על ידי לחיצה על החלק העליון של האריזה כנגד צלחת קרה. כתוצאה מכך, הדיוק הניבוי של מודל 2-Resitor גבוה יותר ככל שהאפליקציה דומה יותר לתנאי הבדיקה.
עבור ההתנגדות של צומת למארז, סביבת היישום המתאימה ביותר לסביבת הבדיקה היא כאשר לרכיב יש גוף קירור המכסה את כל פני האריזה. מסיבה זו ניתן להשתמש במודלים של 2 נגדים כדי להעריך תחילה את גודל גוף הקירור הנדרש.
שימו לב שהמשטח העליון של דגם 2-נגדים הוא צומת איזותרמי המייצג את המארז כך שבסיס גוף הקירור יוחזק קרוב לאיזותרמי. לכן ניתן להשתמש בדגם של 2 נגדים כדי לקבוע את מספר הסנפירים, עובי הסנפיר וגובה הסנפיר הדרושים להפחתת ההתנגדות התרמית בצד האוויר של גוף הקירור, אך לא את עובי הבסיס הדרוש לפיזור החום בצורה נאותה כדי להבטיח את החום. מעבר לסנפירים החיצוניים אינו מוגבל יתר על המידה.
דגמי RC-סולם
עבור חבילות בעלות נתיב זרימת חום יחיד, כגון נוריות LED וחבילות בסגנון TO, קיימת גישה 3 של תקן JEDEC למדידת נגד תרמי-קבל דגם של נתיב זרימת החום מהצומת מטה ללשונית האריזה. שימו לב ששיטה זו אינה מספקת התנגדות תרמית ישירות למשטח העליון החשוף של האריזה. עם זאת, בתנאי שניתן להעריך זאת באמצעים מסוימים, ניתן להשתמש בחומרת Simcenter Micred T3STER ליצירת מודל תרמי RC-סולם שלוקח זאת בחשבון.
Simcenter Micred T3STER הוא הפתרון המוביל בתעשייה למדידת IC ארוזים ליצירת מודלים תרמיים אלה, שיכולים לשמש ישירות כהרכבת רשת ב-Simcenter Flotherm. בניגוד לדגמי 2-Resistor, המכילים רק נגדים תרמיים, מודלים אלה כוללים קבלים תרמיים וניתן להשתמש בהם להדמיות חולפות. דגמים אלה יכולים לתת תוצאות מצוינות כאשר סביבת היישום קרובה לזו של סביבת הצלחת הקרה הבדיקה, למשל, כאשר החבילה מולחמת ל-MCPCB או כרית נחושת על לוח בעל מוליכות גבוהה.
דגמי DELPHI
דגמי DELPHI נקראים כך מכיוון שמקורם בפרויקט DELPHI שתואם על ידי פלומריקס בע"מ בסוף שנות ה-1990. לדגמים אלה יש משטחים עליונים ותחתונים מחולקים, עם מטריצה של נגדים תרמיים לחיבור משטחים אלה לצומת ו/או זה לזה. נגדים תרמיים פנימיים נוספים אלה מאפשרים לזרימת החום דרך הנתיבים הללו בתוך החבילה להתכוונן בהתאם לתנאי הגבול, וביישומים רבים, המודל חוזה את דיוק טמפרטורת הצומת בטווח של ±10%, בהיותו נתון המקרה הגרוע ביותר. באופן כללי, דגמי DELPHI מתאימים לעבודת עיצוב תרמי מפורטת של כל החבילות הקריטיות ביותר מבחינה תרמית, IC מוערמים או תלת-ממדיים, או כאשר יש צורך במידע נוסף מהסימולציה, למשל, התפלגות הטמפרטורה על פני התבנית. כמו מודלים של 3 נגדים, הם גם מכילים רק נגדים, כך שניתן להשתמש בהם רק להדמיית מצב יציב.
דגמים מפורטות
דגמים מפורטים הם דגמים תרמיים המדגמים באופן דיסקרטי את כל התכונות הרלוונטיות מבחינה תרמית של החלק הפנימי של החבילה. שים לב שדגמים אלה מכילים לעתים קרובות מידה מסוימת של קירוב, מכיוון שמאפיינים כגון חוטי קשר בודדים וכדורי הלחמה מתלכדים לעתים קרובות יחד. עם זאת, מודלים כאלה שואפים לאפשר לייצוג מדויק של חלוקת הטמפרטורה בתוך האריזה. אם הגיאומטריה ותכונות החומר נכונות, מודלים כאלה מציעים את הנאמנות הגבוהה ביותר.
איור 3 דגם תרמי מפורט של חבילת שבבים
יש לעצב בפירוט רכיבים הדורשים פתרונות ניהול תרמיים ספציפיים, כגון גוף קירור, מאוורר או רפידה תרמית כדי לייעל את פתרון הקירור בצורה נכונה. לדוגמא, במקרה של גוף קירור, ידוע זה מכבר שחלוקת הטמפרטורה באריזה משפיעה על פיזור הטמפרטורה בבסיס גוף הקירור ולהיפך. כתוצאה מכך, מומלצים מודלים תרמיים של חבילה מפורטים למטרות כאלה.
יתרון נוסף של מודלים מפורטים הוא שהם מאפשרים לחזות את הטמפרטורה של חיבור ההלחמה. גזירה תרמו-מכאנית, יחד עם שינוי טמפרטורה, היא גורם הלחץ העיקרי המשפיע על חיי מפרק ההלחמה.
איור 4 חלוקת טמפרטורה בצד התחתון של חבילת BGA המציגה כדורי סולר בודדים
BCI-ROMs
התקדמות עדכנית בחיזוי טמפרטורות רכיבים היא באמצעות שימוש במודלים מופחתים, או ROMs. כעת ניתן ליצור ROMs ללא תלות בתנאי הגבול שלהם (BCI) ולא ספציפיים עבור סביבה תרמית נתונה. כלומר, ניתן ליצור רכיבי BCI-ROM על ידי ספקי חבילות, ללא תלות בסביבה התרמית שלהם, ולספק למשתמשי קצה לשימוש בהדמיית סביבה תרמית ספציפית. הם זמינים במגוון פורמטים, כגון מטריצות גולמיות, SPICE, VHDL-AMS ו-FMU. יש כעת מגוון אפשרויות כתיבה עבור BCI-ROMs בתוך Simcenter.
ל-BCI-ROM יש מאפיינים אחרים מאוד רצויים:
- הם מדויקים ביותר, כאשר הדיוק מוגדר כחלק מתהליך היצירה (בדרך כלל > 98%)
- תמיכה במספר מקורות חום
- תמיכה בכל לוחות הזמנים החולפים
- הסתר IP רגיש שכן הגיאומטריה הפנימית של דגם האב המפורט ממנו הם נגזרים לא ניתנת להנדסה לאחור מה-ROM
- דווח על טמפרטורת הצומת המתאימה שהוגדרה על ידי הספק מבלי שהספק יצטרך לחשוף היכן בתוך המודל.
- פתור סדרי גודל מהר יותר מדגמים מפורטים
היתרון העיקרי של זה הוא שהם יכולים להיכלל בסימולטורים של מעגלים, כמו Xpedition AMS ו- PartQuest Explore, מה שמאפשר להם להיות 'מודעים לטמפרטורה', וזה המפתח לקבלת הערכות הספק מדויקות בתכנון מוקדם.
לשימוש ב-BCI-ROMs בתוך סימולטורים 3D CFD יש פוטנציאל להיות מחליף משחק בשרשרת האספקה עבור מודלים תרמיים של חבילות, וניתן ליצור BCI-ROMs גם עבור לוחות שלמים.
טיפ 5: צור את הדגמים שלך לפי הצורך
בפועל, הבחירה בדגם התרמי עשויה להיות תלויה במידה רבה במה שזמין מהספק. גם היום, אנו מוצאים שספקים עשויים לספק מידע רק בצורה של גליון נתונים, למשל כ-PDF, וייתכן שאלו אינם מכילים את המידע הדרוש אפילו לתכנון תרמי בסיסי. לדוגמה, גיליון הנתונים עשוי להכיל רק התנגדות תרמית של צומת לסביבה, שלא ניתן להשתמש בה לתכנון, ורק השוואת ביצועים. JEDEC פרסמה את JEP1817, פורמט קובץ סטנדרטי להחלפת נתונים של סימולציה תרמית. היא מבוססת XML, תוך שימוש ב-ECXML שפותחה על ידי סימנס, קיצור של 'Electronics Cooling Extensible Mark-up Language'.
אנו מקווים שהטיפים האלה התחילו את המסע שלך לשיפור חיזוי טמפרטורת הרכיבים. לחמישה טיפים נוספים, בבקשה הורד את הספר הלבן הזה בחינם.
מְחַבֵּר
ד"ר ג'ון פארי, מנהל תעשיית סימסנטר, אלקטרוניקה & סמיקונדקטור, תוכנת סימנס Digital Industries
