Baru-baru ini, ramalan kebolehpercayaan berasaskan fizik mempunyai kaitan kadar kegagalan pemasangan elektronik dengan magnitud perubahan suhu sepanjang kitaran operasi (hidupkan kuasa, mati kuasa, hidupkan kuasa…) dan kadar perubahan suhu, kedua-duanya dipengaruhi dengan suhu operasi keadaan mantap.
Kegagalan elektronik sering dikaitkan dengan kelesuan sambungan pateri pada sambung papan pakej. Dalam sesetengah aplikasi, seperti pengkomputeran, di mana prestasi adalah kunci, suhu memberi kesan buruk kepada kelajuan. Dalam kes lain, komponen perlu berjalan pada suhu yang hampir sama untuk mengelakkan masalah masa. Suhu tinggi boleh menyebabkan masalah operasi, seperti selak. Sama ada niatnya adalah untuk meningkatkan kebolehpercayaan, meningkatkan prestasi atau mengelakkan masalah semasa operasi, ramalan suhu komponen yang tepat membantu pereka terma mencapai matlamat mereka.
Maksimumkan kepastian dalam ramalan suhu komponen
Ramalan suhu komponen yang boleh dipercayai dan tepat membolehkan pereka bentuk memahami sejauh mana nilai reka bentuk mencapai suhu maksimum yang dibenarkan*. Berikut ialah lima petua untuk mencapai ramalan suhu komponen ketepatan tinggi merentas aliran reka bentuk dan memperoleh keyakinan yang lebih tinggi dalam hasil simulasi akhir anda.
Petua 1: Model komponen utama secara eksplisit
Untuk meramalkan suhu komponen utama dengan tepat, komponen tersebut harus dimodelkan secara eksplisit sebagai sebahagian daripada simulasi terma. Walau bagaimanapun, tidak semua komponen perlu dimodelkan, dan selalunya tidak praktikal untuk berbuat demikian. Komponen kecil dengan ketumpatan kuasa rendah yang tidak terlalu sensitif terhadap haba boleh dianggap sebagai jinak dari segi haba dan tidak perlu diwakili secara diskret. Haba daripada komponen ini boleh ditambah sebagai sumber haba latar belakang yang digunakan pada seluruh papan atau sebagai sumber haba jejak pada papan. Perisian simulasi penyejukan elektronik harus menyediakan pilihan penapisan untuk melakukan ini secara automatik dalam reka bentuk lewat apabila susun atur papan berpenduduk diimport daripada sistem EDA.
Rajah 1 Model terma pam insulin, dengan komponen dimodelkan dalam tahap perincian yang berbeza
Komponen yang lebih besar boleh mengganggu aliran udara, memerlukan mereka diwakili secara langsung sebagai objek 3D. Satu kelas komponen yang boleh termasuk dalam kategori ini ialah kapasitor elektrolitik, digunakan, sebagai contoh, dalam bekalan kuasa. Ini adalah sensitif dari segi haba, dengan suhu maksimum yang dibenarkan rendah. Pemodelan kapasitor elektrolitik secara eksplisit boleh membantu memastikan suhu maksimumnya tidak melebihi.
Komponen dan komponen berkuasa tinggi yang besar dan dengan ketumpatan kuasa tinggi perlu dimodelkan secara diskret, kerana pengurusan haba dan pengaruhnya ke atas komponen jiran adalah penting kepada reka bentuk terma keseluruhan produk.
Petua 2: Gunakan anggaran kuasa yang baik
Seperti yang dinyatakan di atas, sebahagian daripada keputusan mengenai sama ada perlu mewakili komponen secara langsung bergantung pada ketumpatan kuasanya, iaitu kuasa komponen dibahagikan dengan kawasan jejaknya.
Perlu menyemak semula keputusan tentang komponen yang hendak dimodelkan secara diskret semasa reka bentuk berkembang dan lebih banyak maklumat tersedia. Dalam reka bentuk awal, hanya boleh menggunakan kuasa terkadar maksimum untuk komponen dan bukannya menganggar kemungkinan penggunaan kuasa. Belanjawan kuasa untuk komponen individu dan papan secara keseluruhan boleh berubah sepanjang reka bentuk, jadi ini perlu disemak semula dengan kerap.
Rajah 2 Contoh profil kuasa vs masa
Petua 3: Gunakan model terma pakej yang betul
Peraturan emas adalah bermula awal dan mulakan dengan mudah. Jurutera mekanikal yang bertanggungjawab ke atas integriti terma produk harus bertujuan untuk memberikan maklum balas berguna sebanyak mungkin kepada jurutera elektronik untuk membimbing reka bentuk tentang kesan terma pilihan mereka, terutamanya semasa reka bentuk awal.
Dari perspektif jurutera mekanikal, di peringkat PCB, ini memerlukan bantuan dengan pemilihan pakej dan kedudukan terbaik komponen untuk menggunakan aliran udara sistem untuk penyejukan. Tidak dapat dielakkan, kedua-dua susun atur dan pemilihan pakej didorong terutamanya oleh gabungan prestasi elektronik dan pertimbangan kos. Namun, akibat daripada pilihan tersebut terhadap prestasi terma hendaklah dibuat sejelas mungkin, kerana suhu dan penyejukan juga mempengaruhi prestasi dan kos. Pilihan model terma komponen bergantung kepada beberapa faktor.
Dalam reka bentuk awal, sebelum papan dihalakan atau bilangan lapisan dalam papan diketahui, ramalan suhu komponen yang tepat adalah mustahil, jadi model komponen yang canggih dari segi haba tidak diperlukan. Kemudian dalam reka bentuk, apabila model PCB boleh ditapis, model terma komponen juga harus diperhalusi. Pilihan tentang model terma komponen yang paling sesuai adalah berulang, kerana komponen yang diramalkan menjadi panas* menunjukkan sendiri keperluan untuk memperhalusi model terma komponen dan mungkin mempertimbangkan penyelesaian pengurusan terma khusus komponen. Reka bentuk papan boleh membentuk sebahagian daripada penyelesaian pengurusan haba itu, contohnya, menggunakan vias terma untuk mengalirkan haba ke satah tanah yang tertimbus.
Petua 4: Gunakan model terma padat dari reka bentuk awal
Adalah penting untuk memodelkan komponen dengan tepat dan menggunakan perwakilan 3D komponen dalam reka bentuk terma sebelum pemilihan pakej. Model terma kompak 2-Perintang dan DELPHI telah diperkenalkan. Di sini, kami membincangkan dengan lebih terperinci ketepatan ramalan ini dan model terma lain.
2-Model Perintang
Seperti yang dinyatakan, model terma kompak (CTM) 2-Perintang ialah model kesetiaan terendah yang mampu meramalkan kedua-dua suhu kes dan simpang. Satu faedah ialah ia tidak memerlukan lebih banyak jaringan daripada blok pengalir mudah, jadi menggunakan model 2-Perintang tidak mempunyai kesan negatif terhadap masa simulasi. Walaupun ini mempunyai beban pengiraan yang paling rendah, ralat kes terburuk dalam ramalan suhu simpang boleh setinggi ±30% dan berbeza dengan kedua-dua jenis pakej dan saiz pakej. Rintangan simpang-ke-kas dan rintangan simpang-ke-papan metrik terma yang berdasarkan model ini diukur di bawah keadaan piawai.
Piawaian JEDEC JESD15-3 memerlukan rintangan simpang-ke-papan diukur pada papan 2s2p dengan kuasa berterusan dan satah darat. Rintangan simpang ke kotak diukur dengan menekan bahagian atas bungkusan pada plat sejuk. Akibatnya, ketepatan ramalan model 2-Resitor adalah lebih tinggi, semakin hampir aplikasi menyerupai keadaan ujian.
Untuk rintangan simpang-ke-kas, persekitaran aplikasi yang paling hampir sepadan dengan persekitaran ujian ialah apabila komponen mempunyai sink haba yang meliputi seluruh permukaan pakej. Atas sebab ini model 2-Perintang boleh digunakan untuk menilai pada mulanya saiz heatsink yang diperlukan.
Ambil perhatian bahawa permukaan atas model 2-Perintang ialah nod isoterma yang mewakili bekas supaya tapak sink haba akan dipegang rapat dengan isoterma. Oleh itu, model 2-Perintang boleh digunakan untuk menentukan bilangan sirip, ketebalan sirip dan ketinggian sirip yang diperlukan untuk mengurangkan rintangan haba sisi udara bagi heatsink, tetapi bukan ketebalan asas yang diperlukan untuk menyebarkan haba dengan secukupnya untuk memastikan haba itu. melepasi ke sirip luar tidak terlalu dihadkan.
Model RC-Ladder
Untuk pakej yang mempunyai laluan aliran haba tunggal, seperti LED dan pakej gaya TO, terdapat pendekatan standard JEDEC 3 untuk mengukur perintang haba-kapasitor model laluan aliran haba dari simpang turun ke tab pakej. Ambil perhatian bahawa kaedah ini tidak secara langsung memberikan rintangan haba pada permukaan atas bungkusan yang terdedah. Walau bagaimanapun, dengan syarat ini boleh dianggarkan dengan beberapa cara, perkakasan Simcenter Micred T3STER boleh digunakan untuk mencipta model terma tangga RC yang mengambil kira perkara ini.
Simcenter Micred T3STER ialah penyelesaian peneraju industri untuk mengukur IC berpakej untuk mencipta model terma ini, yang boleh digunakan terus sebagai Pemasangan Rangkaian dalam Simcenter Flotherm. Tidak seperti model 2-Perintang, yang hanya mengandungi perintang haba, model ini termasuk kapasitor haba dan boleh digunakan untuk simulasi sementara. Model-model ini boleh memberikan hasil yang sangat baik apabila persekitaran aplikasi hampir dengan persekitaran plat sejuk ujian, contohnya, apabila bungkusan dipateri pada MCPCB atau pad tembaga pada papan kekonduksian tinggi.
Model DELPHI
Model DELPHI dinamakan sedemikian kerana ia berasal dari Projek DELPHI yang diselaraskan oleh Flomerics Ltd. pada akhir 1990-an. Model ini telah membahagikan permukaan atas dan bawah, dengan matriks perintang haba untuk menyambungkan permukaan ini ke persimpangan dan/atau antara satu sama lain. Perintang haba dalaman tambahan ini membenarkan pengaliran haba melalui laluan ini di dalam pakej melaraskan bergantung pada keadaan sempadan, dan dalam banyak aplikasi, model akan meramalkan ketepatan suhu simpang dalam lingkungan ±10%, sebagai angka kes terburuk. Secara amnya, model DELPHI adalah mencukupi untuk kerja reka bentuk terma terperinci bagi semua kecuali pakej paling kritikal terma, IC bertindan atau 3D, atau apabila maklumat tambahan diperlukan daripada simulasi, contohnya, taburan suhu pada permukaan cetakan. Seperti model 2-Perintang ia juga hanya mengandungi perintang, jadi hanya boleh digunakan untuk simulasi keadaan mantap.
Model Terperinci
Model terperinci ialah model terma yang memodelkan semua ciri yang berkaitan secara haba bagi dalaman pakej. Ambil perhatian bahawa model ini selalunya mengandungi beberapa tahap penghampiran, kerana ciri seperti wayar ikatan individu dan bola pateri sering disatukan. Walau bagaimanapun, model sedemikian bertujuan untuk membenarkan taburan suhu dalam pakej diwakili dengan tepat. Jika geometri dan sifat bahan adalah betul, model sedemikian menawarkan kesetiaan tertinggi.
Rajah 3 Model termal terperinci bagi pakej cip
Komponen yang memerlukan penyelesaian pengurusan terma tertentu, seperti sink haba, fansink atau pad haba harus dimodelkan secara terperinci untuk mengoptimumkan penyelesaian penyejukan dengan betul. Sebagai contoh, dalam kes sink haba, telah lama diketahui bahawa pengagihan suhu dalam bungkusan mempengaruhi pengagihan suhu dalam pangkalan sink haba dan sebaliknya. Oleh itu, model terma pakej terperinci disyorkan untuk tujuan tersebut.
Satu lagi kelebihan model terperinci ialah ia membenarkan suhu interkoneksi pateri diramalkan. Ricih termomekanikal, ditambah dengan perubahan suhu, adalah penegasan utama yang menjejaskan hayat sambungan pateri.
Rajah 4 Taburan suhu di bahagian bawah bungkusan BGA yang menunjukkan bola soler individu
BCI-ROM
Kemajuan terkini dalam meramalkan suhu komponen adalah melalui penggunaan model pesanan yang dikurangkan, atau ROM. ROM kini boleh dibuat secara bebas daripada keadaan sempadan (BCI) dan bukannya khusus untuk persekitaran terma tertentu. Ini bermakna BCI-ROM boleh dibuat oleh vendor pakej, bebas daripada persekitaran terma mereka, dan diberikan kepada pengguna akhir untuk digunakan dalam mensimulasikan persekitaran terma tertentu. Ia tersedia dalam pelbagai format, seperti matriks mentah, SPICE, VHDL-AMS dan FMU. Kini terdapat pelbagai pilihan pengarangan untuk BCI-ROM dalam Simcenter.
BCI-ROM mempunyai ciri-ciri lain yang sangat diingini:
- Ia sangat tepat, dengan ketepatan ditakrifkan sebagai sebahagian daripada proses penciptaan (biasanya > 98%)
- Menyokong pelbagai sumber haba
- Menyokong semua skala masa sementara
- Sembunyikan IP sensitif kerana geometri dalaman model terperinci induk dari mana ia diperoleh tidak boleh direkayasa balik daripada ROM
- Laporkan suhu simpang yang sesuai yang ditakrifkan oleh vendor tanpa vendor perlu mendedahkan di mana dalam model itu.
- Selesaikan susunan magnitud lebih cepat daripada model terperinci
Kelebihan utama ini ialah ia boleh disertakan dalam simulator litar, seperti Xpedition AMS dan PartQuest Explore, membolehkan mereka 'sedar suhu', yang merupakan kunci untuk mendapatkan anggaran kuasa yang tepat dalam reka bentuk awal.
Penggunaan BCI-ROM dalam simulator CFD 3D berpotensi untuk menjadi penukar permainan dalam rantaian bekalan untuk model terma pakej, dan BCI-ROM juga boleh dibuat untuk keseluruhan papan.
Petua 5: Cipta model anda mengikut keperluan
Dalam amalan, pilihan model terma mungkin bergantung pada apa yang tersedia daripada vendor. Malah pada hari ini, kami mendapati vendor hanya boleh membekalkan maklumat dalam bentuk lembaran data, cth, sebagai PDF, dan ini mungkin tidak mengandungi maklumat yang diperlukan untuk reka bentuk haba asas sekalipun. Contohnya, helaian data mungkin mengandungi hanya rintangan haba simpang-ke-ambien, yang tidak boleh digunakan untuk reka bentuk dan hanya perbandingan prestasi. JEDEC telah menerbitkan JEP1817, format fail standard untuk pertukaran data simulasi terma. Ia berasaskan XML, menggunakan ECXML yang dibangunkan oleh Siemens, singkatan untuk 'electronics cooling extensible mark-up language'.
Kami berharap petua ini telah memulakan perjalanan anda untuk meningkatkan ramalan suhu komponen. Untuk lima petua tambahan, sila muat turun kertas putih percuma ini.
Pengarang
Dr. John Parry, Pengarah Industri Simcenter, Elektronik & Semikonduktor, Siemens Digital Industries Software
