최근에는 물리학 기반 신뢰성 예측을 통해 전자 어셈블리의 고장률이 작동 주기(전원 켜기, 끄기, 전원 켜기...)에 따른 온도 변화 크기 및 온도 변화 속도와 관련되어 있으며 두 가지 모두 영향을 받습니다. 정상 상태 작동 온도에 따라.
전자 장치 고장은 종종 패키지-보드 상호 연결의 납땜 접합 피로로 인해 발생합니다. 성능이 중요한 컴퓨팅과 같은 일부 애플리케이션에서는 온도가 속도에 부정적인 영향을 미칩니다. 다른 경우에는 타이밍 문제를 피하기 위해 구성 요소가 매우 유사한 온도에서 실행되어야 합니다. 온도가 높으면 래치업과 같은 작동 문제가 발생할 수 있습니다. 신뢰성 향상, 성능 향상, 작동 중 문제 방지 등의 목적에 관계없이 구성 요소 온도를 정확하게 예측하면 열 설계자가 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.
부품 온도 예측의 확실성 극대화
부품 온도에 대한 신뢰할 수 있고 정확한 예측을 통해 설계자는 설계 값이 최대 허용* 온도에 얼마나 가까운지 이해할 수 있습니다. 다음은 설계 흐름 전반에 걸쳐 충실도 높은 부품 온도 예측을 달성하고 최종 시뮬레이션 결과에 대한 신뢰도를 높이기 위한 5가지 팁입니다.
팁 1: 주요 구성 요소를 명시적으로 모델링
주요 구성 요소의 온도를 정확하게 예측하려면 해당 구성 요소를 열 시뮬레이션의 일부로 명시적으로 모델링해야 합니다. 그러나 모든 구성 요소를 모델링할 필요는 없으며 그렇게 하는 것이 비현실적인 경우가 많습니다. 특히 열에 민감하지 않고 전력 밀도가 낮은 소형 구성 요소는 열에 무해한 것으로 간주될 수 있으므로 개별적으로 표시할 필요가 없습니다. 이러한 구성 요소의 열은 전체 보드에 적용되는 배경 열원으로 추가되거나 보드의 설치 공간 열원으로 추가될 수 있습니다. 전자 냉각 시뮬레이션 소프트웨어는 EDA 시스템에서 채워진 보드 레이아웃을 가져올 때 설계 후반에 이를 자동으로 수행할 수 있는 필터링 옵션을 제공해야 합니다.
그림 1 다양한 세부 수준으로 모델링된 구성요소를 갖춘 인슐린 펌프의 열 모델
더 큰 구성 요소는 공기 흐름을 방해할 수 있으므로 3D 객체로 직접 표현해야 합니다. 이 범주에 속할 수 있는 구성 요소 중 하나는 전원 공급 장치 등에 사용되는 전해 커패시터입니다. 이는 열에 민감하며 최대 허용 온도가 낮습니다. 전해 커패시터를 명시적으로 모델링하면 최대 온도가 초과되지 않도록 하는 데 도움이 될 수 있습니다.
대형 고전력 구성 요소와 전력 밀도가 높은 구성 요소는 열 관리와 주변 구성 요소에 대한 영향이 제품의 전체 열 설계에 중요하므로 개별적으로 모델링해야 합니다.
팁 2: 좋은 전력 추정치를 사용하세요
위에서 언급한 것처럼 구성 요소를 직접 표시해야 하는지 여부에 대한 결정은 구성 요소 전력을 해당 설치 면적으로 나눈 전력 밀도에 따라 달라집니다.
설계가 발전하고 더 많은 정보가 제공됨에 따라 개별적으로 모델링할 구성 요소에 대한 결정을 다시 확인할 가치가 있습니다. 초기 설계에서는 예상 전력 소비를 추정하는 대신 구성 요소의 최대 정격 전력만 사용하는 것이 가능할 수 있습니다. 개별 구성 요소와 보드 전체에 대한 전력 예산은 설계 과정에서 변경될 수 있으므로 정기적으로 다시 확인해야 합니다.
그림 2 전력 대 시간 프로필의 예
팁 3: 올바른 패키지 열 모델 사용
황금률은 일찍 시작하고 간단하게 시작하는 것입니다. 제품의 열 무결성을 담당하는 기계 엔지니어는 전자 엔지니어가 선택한 열 영향에 대한 설계를 안내할 수 있도록 가능한 한 많은 유용한 피드백을 제공하는 것을 목표로 해야 합니다. 특히 초기 설계 중에 더욱 그렇습니다.
기계 엔지니어의 관점에서 볼 때 PCB 수준에서는 냉각을 위해 시스템 공기 흐름을 활용하기 위한 패키지 선택 및 구성 요소의 최상의 위치 지정을 돕는 것이 필요합니다. 필연적으로 레이아웃과 패키지 선택은 주로 전자 성능과 비용 고려 사항의 조합에 따라 결정됩니다. 그러나 온도와 냉각도 성능과 비용에 영향을 주기 때문에 열 성능에 대한 이러한 선택의 결과는 최대한 명확해야 합니다. 부품 열 모델의 선택은 여러 요인에 따라 달라집니다.
초기 설계에서는 보드가 라우팅되거나 보드의 레이어 수가 알려지기 전에는 정확한 부품 온도 예측이 불가능하므로 열적으로 정교한 부품 모델이 필요하지 않습니다. 설계 후반에 PCB 모델을 구체화할 수 있으면 구성 요소 열 모델도 구체화해야 합니다. 가장 적절한 구성 요소 열 모델에 대한 선택은 반복적입니다. 뜨거울 것으로 예상되는 구성 요소*는 구성 요소의 열 모델을 개선하고 구성 요소별 열 관리 솔루션을 고려해야 할 필요성을 자체적으로 나타내기 때문입니다. 보드 설계는 예를 들어 열 비아를 사용하여 매설된 접지면에 열을 전달하는 등 열 관리 솔루션의 일부를 구성할 수 있습니다.
팁 4: 초기 설계의 컴팩트 열 모델 사용
패키지를 선택하기 전에 구성 요소를 정확하게 모델링하고 열 설계에서 구성 요소의 3D 표현을 사용하는 것이 중요합니다. 2-저항기 및 DELPHI 소형 열 모델이 출시되었습니다. 여기서는 이러한 모델과 기타 열 모델의 예측 정확도에 대해 더 자세히 논의합니다.
2-저항 모델
언급한 바와 같이 2저항 소형 열 모델(CTM)은 케이스 온도와 접합 온도를 모두 예측할 수 있는 가장 낮은 충실도 모델입니다. 한 가지 이점은 단순한 전도성 블록보다 더 많은 메시가 필요하지 않으므로 2-저항 모델을 사용해도 시뮬레이션 시간에 부정적인 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 이는 계산 부담이 가장 적지만 접합 온도 예측에서 최악의 경우 ±30%까지 높을 수 있으며 패키지 유형과 패키지 크기에 따라 다릅니다. 이 모델의 기반이 되는 접합부-케이스 저항 및 접합부-보드 저항 열 메트릭은 표준화된 조건에서 측정됩니다.
JEDEC 표준 JESD15-3에서는 연속 전원 및 접지면이 있는 2s2p 보드에서 접합부-보드 저항을 측정해야 합니다. 접합부-케이스 저항은 패키지 상단을 냉각판에 대고 눌러 측정합니다. 결과적으로, 2-저항기 모델의 예측 정확도는 애플리케이션이 테스트 조건과 더 유사할수록 더 높아집니다.
접합부-케이스 저항의 경우 테스트 환경과 가장 밀접하게 일치하는 적용 환경은 구성 요소가 전체 패키지 표면을 덮는 방열판을 갖는 경우입니다. 이러한 이유로 2저항 모델을 사용하여 필요한 방열판 크기를 초기에 평가할 수 있습니다.
2저항 모델의 상단 표면은 방열판의 베이스가 등온에 가깝게 유지되는 경우를 나타내는 등온 노드입니다. 따라서 2저항 모델을 사용하여 방열판의 공기측 열 저항을 줄이는 데 필요한 핀 수, 핀 두께 및 핀 높이를 결정할 수 있지만, 열을 적절하게 분산시켜 열을 적절하게 분산시키는 데 필요한 기본 두께는 결정할 수 없습니다. 외부 지느러미로 전달되는 것은 지나치게 제한되지 않습니다.
RC-사다리 모델
LED 및 TO 스타일 패키지와 같이 단일 열 흐름 경로가 있는 패키지의 경우 열 저항기를 측정하기 위한 JEDEC 표준 접근 방식 3이 있습니다.콘덴서 접합부에서 패키지 탭까지의 열 흐름 경로 모델. 이 방법은 패키지의 노출된 상단 표면에 열 저항을 직접 제공하지 않습니다. 그러나 이를 어떤 수단으로 추정할 수 있다면 Simcenter Micred T3STER 하드웨어를 사용하여 이를 고려한 RC 사다리 열 모델을 생성할 수 있습니다.
Simcenter Micred T3STER는 Simcenter Flotherm에서 네트워크 어셈블리로 직접 사용할 수 있는 열 모델을 생성하기 위해 패키지 IC를 측정하는 업계 최고의 솔루션입니다. 열 저항기만 포함하는 2저항 모델과 달리 이 모델에는 열 커패시터가 포함되어 있어 과도 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다. 이러한 모델은 애플리케이션 환경이 테스트 냉각판 환경과 유사할 때(예: 패키지가 MCPCB 또는 고전도 보드의 구리 패드에 납땜된 경우) 우수한 결과를 제공할 수 있습니다.
델파이 모델
DELPHI 모델은 1990년대 후반 Flomerics Ltd.가 조정한 DELPHI 프로젝트에서 유래되었기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 이러한 모델에는 분할된 상단 및 하단 표면이 있고 이러한 표면을 접합부 및/또는 서로 연결하는 열 저항기 매트릭스가 있습니다. 이러한 추가 내부 열 저항기를 사용하면 패키지 내의 이러한 경로를 통한 열 흐름이 경계 조건에 따라 조정될 수 있으며, 많은 응용 분야에서 모델은 접합 온도 정확도를 최악의 경우인 ±10% 이내로 예측합니다. 일반적으로 DELPHI 모델은 열적으로 가장 중요한 패키지, 적층형 또는 3D IC를 제외한 모든 세부적인 열 설계 작업에 적합하거나 시뮬레이션에서 추가 정보(예: 다이 표면의 온도 분포)가 필요한 경우에 적합합니다. 2-저항 모델과 마찬가지로 저항만 포함하므로 정상 상태 시뮬레이션에만 사용할 수 있습니다.
상세 모델
세부 모델은 패키지 내부의 모든 열 관련 기능을 개별적으로 모델링하는 열 모델입니다. 개별 본드 와이어 및 솔더 볼과 같은 기능이 함께 묶이는 경우가 많기 때문에 이러한 모델에는 어느 정도의 근사치가 포함되는 경우가 많습니다. 그러나 이러한 모델은 패키지 내의 온도 분포를 정확하게 표현하는 것을 목표로 합니다. 형상과 재료 특성이 올바른 경우 이러한 모델은 가장 높은 충실도를 제공합니다.
그림 3 칩 패키지의 상세한 열 모델
방열판, 팬싱크 또는 열 패드와 같은 특정 열 관리 솔루션이 필요한 구성 요소는 냉각 솔루션을 올바르게 최적화하기 위해 세부적으로 모델링되어야 합니다. 예를 들어 방열판의 경우 패키지의 온도 분포가 방열판 베이스의 온도 분포에 영향을 미치고 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것이 오랫동안 알려져 왔습니다. 결과적으로, 그러한 목적을 위해서는 상세한 패키지 열 모델이 권장됩니다.
세부 모델의 또 다른 장점은 솔더 인터커넥트의 온도를 예측할 수 있다는 것입니다. 온도 변화와 결합된 열기계적 전단은 솔더 조인트 수명에 영향을 미치는 주요 스트레스 요인입니다.
그림 4 개별 솔러 볼을 보여주는 BGA 패키지 밑면의 온도 분포
BCI-ROM
부품 온도 예측의 최근 발전은 감소된 차수 모델(ROM)을 사용하는 것입니다. 이제 ROM은 주어진 열 환경에 특정하게 적용되는 것이 아니라 경계 조건(BCI)과 독립적으로 생성될 수 있습니다. 이는 BCI-ROM이 열 환경과 관계없이 패키지 공급업체에 의해 생성될 수 있으며 특정 열 환경을 시뮬레이션하는 데 사용하기 위해 최종 사용자에게 제공될 수 있음을 의미합니다. 원시 행렬, SPICE, VHDL-AMS, FMU 등 다양한 형식으로 제공됩니다. 이제 Simcenter 내에는 BCI-ROM에 대한 다양한 저작 옵션이 있습니다.
BCI-ROM에는 다음과 같은 매우 바람직한 특성이 있습니다.
- 정확도는 생성 프로세스의 일부로 정의되어 매우 정확합니다(일반적으로 > 98%).
- 다양한 열원 지원
- 모든 임시 기간 지원
- 파생된 상위 세부 모델의 내부 형상은 ROM에서 역엔지니어링할 수 없으므로 민감한 IP를 숨깁니다.
- 공급업체가 모델 내 어디에 있는지 공개할 필요 없이 공급업체가 정의한 적절한 접합 온도를 보고합니다.
- 세부 모델보다 훨씬 빠르게 해결
이것의 가장 큰 장점은 Xpedition AMS 및 PartQuest Explore와 같은 회로 시뮬레이터에 포함될 수 있어 초기 설계에서 정확한 전력 추정을 얻는 데 중요한 '온도 인식'이 가능하다는 점입니다.
3D CFD 시뮬레이터 내에서 BCI-ROM을 사용하면 패키지 열 모델 공급망의 판도를 바꿀 수 있는 잠재력이 있으며 전체 보드에 대해 BCI-ROM을 생성할 수도 있습니다.
팁 5: 필요에 따라 모델 만들기
실제로 열 모델 선택은 공급업체에서 제공하는 제품에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 오늘날에도 공급업체는 데이터시트 형식(예: PDF)으로만 정보를 제공할 수 있으며 여기에는 기본 열 설계에 필요한 정보조차 포함되어 있지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 데이터 시트에는 설계에 사용할 수 없는 접합부-주위 열 저항과 성능 비교만 포함될 수 있습니다. JEDEC는 열 시뮬레이션 데이터 교환을 위한 표준 파일 형식인 JEP1817을 발표했습니다. XML 기반으로, '전자 냉각 확장 가능 마크업 언어'의 약자인 Siemens가 개발한 ECXML을 사용합니다.
이러한 팁이 구성 요소 온도 예측을 개선하기 위한 여정을 시작하길 바랍니다. 추가로 5가지 팁을 원하시면 이 무료 백서를 다운로드하십시오.
저자
John Parry 박사, Simcenter 산업 이사, 전자 및 산업 부문 반도체, 지멘스 디지털 산업 소프트웨어
