Meer recentelijk heeft op fysica gebaseerde betrouwbaarheidsvoorspelling de faalpercentages van elektronische assemblages in verband gebracht met de omvang van de temperatuurverandering gedurende een operationele cyclus (inschakelen, uitschakelen, inschakelen...) en de snelheid van temperatuurverandering, die beide worden beïnvloed door een stabiele bedrijfstemperatuur.
Elektronicastoringen worden vaak toegeschreven aan soldeerverbindingsmoeheid bij de verbinding tussen pakket en bord. In sommige toepassingen, zoals computers, waar prestaties van cruciaal belang zijn, heeft de temperatuur een negatieve invloed op de snelheid. In andere gevallen moeten componenten op zeer vergelijkbare temperaturen werken om timingproblemen te voorkomen. Hoge temperaturen kunnen operationele problemen veroorzaken, zoals vergrendelen. Of het nu de bedoeling is om de betrouwbaarheid te vergroten, de prestaties te verbeteren of problemen tijdens de werking te voorkomen: nauwkeurige voorspelling van componenttemperaturen helpt thermische ontwerpers hun doelen te bereiken.
Maximaliseer de zekerheid bij het voorspellen van de temperatuur van componenten
Dankzij een betrouwbare, nauwkeurige voorspelling van de temperatuur van componenten kunnen ontwerpers begrijpen hoe dicht de ontwerpwaarden in de buurt komen van de maximaal toegestane* temperatuur. Hier zijn vijf tips voor het realiseren van een nauwkeurige voorspelling van de temperatuur van componenten gedurende het hele ontwerpproces en voor het verkrijgen van meer vertrouwen in uw uiteindelijke simulatieresultaten.
Tip 1: Modelleer de belangrijkste componenten expliciet
Om de temperatuur van een sleutelcomponent nauwkeurig te voorspellen, moet de component expliciet worden gemodelleerd als onderdeel van de thermische simulatie. Niet alle componenten hoeven echter te worden gemodelleerd, en het is vaak onpraktisch om dit te doen. Kleine componenten met een lage vermogensdichtheid die niet bijzonder thermisch gevoelig zijn, kunnen als thermisch goedaardig worden beschouwd en hoeven niet discreet te worden weergegeven. Warmte van deze componenten kan worden toegevoegd als achtergrondwarmtebron die over de hele plaat wordt toegepast of als voetafdrukwarmtebron op de plaat. Simulatiesoftware voor elektronische koeling zou filteropties moeten bieden om dit automatisch te doen in een laat ontwerp wanneer de ingevulde bordindeling uit het EDA-systeem wordt geïmporteerd.
Figuur 1 Thermisch model van een insulinepomp, waarbij de componenten op verschillende detailniveaus zijn gemodelleerd
Grotere componenten kunnen de luchtstroom verstoren, waardoor ze direct als 3D-objecten moeten worden weergegeven. Eén klasse componenten die in deze categorie kunnen vallen, zijn elektrolytische condensatoren, die bijvoorbeeld in voedingen worden gebruikt. Deze zijn thermisch gevoelig, met een lage maximaal toegestane temperatuur. Het expliciet modelleren van elektrolytische condensatoren kan ervoor zorgen dat hun maximale temperatuur niet wordt overschreden.
Grote componenten met een hoog vermogen en componenten met een hoge vermogensdichtheid moeten discreet worden gemodelleerd, omdat hun thermisch beheer en de invloed op aangrenzende componenten belangrijk zijn voor het algehele thermische ontwerp van het product.
Tip 2: Gebruik goede vermogensschattingen
Zoals hierboven opgemerkt, hangt een deel van de beslissing over de vraag of het nodig is om een component direct weer te geven af van de vermogensdichtheid ervan, dat wil zeggen het vermogen van de component gedeeld door het footprintgebied ervan.
Het is de moeite waard om de beslissingen over welke componenten discreet moeten worden gemodelleerd opnieuw te controleren naarmate het ontwerp evolueert en er meer informatie beschikbaar komt. Bij een vroeg ontwerp was het mogelijk alleen mogelijk om het maximale nominale vermogen voor het onderdeel te gebruiken in plaats van het waarschijnlijke energieverbruik te schatten. Stroombudgetten voor individuele componenten en het bord als geheel kunnen in de loop van het ontwerp veranderen, dus deze moeten regelmatig opnieuw worden gecontroleerd.
Figuur 2 Voorbeeld van een vermogens- versus tijdprofiel
Tip 3: Gebruik het juiste thermische pakketmodel
De gouden regel is om vroeg te beginnen en eenvoudig te beginnen. De werktuigbouwkundige die verantwoordelijk is voor de thermische integriteit van het product moet ernaar streven om zoveel mogelijk nuttige feedback te geven aan de elektronische ingenieurs om het ontwerp te begeleiden over de thermische impact van hun keuzes, vooral tijdens het vroege ontwerp.
Vanuit het perspectief van de werktuigbouwkundige betekent dit op PCB-niveau het helpen bij de pakketselectie en de beste positionering van componenten om de luchtstroom van het systeem te gebruiken voor koeling. Het is onvermijdelijk dat zowel de lay-out als de pakketkeuze in de eerste plaats worden bepaald door een combinatie van elektronische prestaties en kostenoverwegingen. Toch moeten de gevolgen van deze keuzes op de thermische prestaties zo duidelijk mogelijk worden gemaakt, aangezien temperatuur en koeling ook de prestaties en kosten beïnvloeden. De keuze van het thermische componentmodel hangt van verschillende factoren af.
Bij een vroeg ontwerp, voordat de plaat wordt gerouteerd of het aantal lagen in de plaat bekend is, is een nauwkeurige voorspelling van de temperatuur van de componenten eenvoudigweg niet mogelijk, dus is een thermisch geavanceerd model van de component niet nodig. Later in het ontwerp, wanneer het PCB-model kan worden verfijnd, moet ook het thermische componentmodel worden verfijnd. Keuzes over het meest geschikte thermische model voor componenten zijn iteratief, omdat componenten waarvan wordt voorspeld dat ze heet* zijn, op zichzelf duiden op de noodzaak om het thermische model van de component te verfijnen en misschien een componentspecifieke oplossing voor thermisch beheer te overwegen. Het bordontwerp kan deel uitmaken van die oplossing voor thermisch beheer, bijvoorbeeld door gebruik te maken van thermische via's om warmte naar een ondergronds grondvlak te geleiden.
Tip 4: Gebruik compacte thermische modellen uit het vroege ontwerp
Het is belangrijk om componenten nauwkeurig te modelleren en een 3D-weergave van de component in het thermische ontwerp te gebruiken voordat u een pakket selecteert. Er werden compacte thermische modellen met 2 weerstanden en DELPHI geïntroduceerd. Hier bespreken we in meer detail de voorspellende nauwkeurigheid van deze en andere thermische modellen.
Modellen met 2 weerstanden
Zoals opgemerkt is een compact thermisch model met 2 weerstanden (CTM) het model met de laagste betrouwbaarheid dat zowel de behuizings- als de junctietemperaturen kan voorspellen. Eén voordeel is dat er niet meer mesh nodig is dan een eenvoudig geleidend blok, dus het gebruik van modellen met 2 weerstanden heeft geen negatieve invloed op de simulatietijd. Hoewel dit de laagste rekenlast met zich meebrengt, kan de slechtst denkbare fout bij de voorspelling van de junctietemperatuur oplopen tot ±30% en varieert afhankelijk van zowel het pakkettype als de pakketgrootte. De thermische metingen van de junctie-naar-kast-weerstand en de junctie-naar-bord-weerstand waarop dit model is gebaseerd, worden gemeten onder gestandaardiseerde omstandigheden.
De JEDEC-standaard JESD15-3 vereist dat de weerstand tussen verbinding en bord wordt gemeten op een 2s2p-bord met continu vermogen en aardvlakken. De weerstand tussen de verbinding en de behuizing wordt gemeten door de bovenkant van de verpakking tegen een koude plaat te drukken. Als gevolg hiervan is de voorspellende nauwkeurigheid van het 2-Resitor-model hoger naarmate de toepassing beter op de testomstandigheden lijkt.
Voor de junctie-naar-behuizing-weerstand is de toepassingsomgeving die het meest overeenkomt met de testomgeving wanneer de component een koellichaam heeft dat het hele pakketoppervlak bedekt. Om deze reden kunnen modellen met 2 weerstanden worden gebruikt om in eerste instantie de vereiste grootte van het koellichaam te beoordelen.
Merk op dat het bovenoppervlak van een model met 2 weerstanden een isotherm knooppunt is dat de behuizing vertegenwoordigt, zodat de basis van het koellichaam dicht bij isotherm wordt gehouden. Een model met 2 weerstanden kan daarom worden gebruikt om het aantal vinnen, de vindikte en de vinhoogte te bepalen die nodig zijn om de thermische weerstand aan de luchtzijde van het koellichaam te verminderen, maar niet de basisdikte die nodig is om de warmte adequaat te verspreiden om ervoor te zorgen dat de warmte het passeren naar de buitenste vinnen is niet al te beperkt.
RC-laddermodellen
Voor pakketten die één enkel warmtestroompad hebben, zoals LED's en TO-stijl pakketten, is er een JEDEC-standaardbenadering 3 voor het meten van een thermische weerstand.condensator model van het warmtestroompad vanaf de kruising tot aan het pakkettabblad. Merk op dat deze methode niet direct thermische weerstand biedt aan het blootgestelde bovenoppervlak van de verpakking. Op voorwaarde dat dit echter op de een of andere manier kan worden geschat, kan Simcenter Micred T3STER-hardware worden gebruikt om een thermisch RC-laddermodel te maken dat hiermee rekening houdt.
Simcenter Micred T3STER is de toonaangevende oplossing voor het meten van verpakte IC's om deze thermische modellen te creëren, die direct kunnen worden gebruikt als netwerkassemblage in Simcenter Flotherm. In tegenstelling tot modellen met 2 weerstanden, die alleen thermische weerstanden bevatten, bevatten deze modellen thermische condensatoren en kunnen ze worden gebruikt voor transiënte simulaties. Deze modellen kunnen uitstekende resultaten opleveren wanneer de toepassingsomgeving dicht bij die van de testomgeving met koude platen ligt, bijvoorbeeld wanneer de behuizing wordt gesoldeerd aan een MCPCB of een koperen pad op een hooggeleidende plaat.
DELPHI-modellen
DELPHI-modellen worden zo genoemd omdat ze voortkwamen uit het DELPHI-project dat eind jaren negentig werd gecoördineerd door Flomerics Ltd. Deze modellen hebben boven- en onderoppervlakken verdeeld, met een matrix van thermische weerstanden om deze oppervlakken met de kruising en/of met elkaar te verbinden. Deze extra interne thermische weerstanden zorgen ervoor dat de warmtestroom door deze paden binnen het pakket zich kan aanpassen, afhankelijk van de randvoorwaarden, en in veel toepassingen zal het model de nauwkeurigheid van de junctietemperatuur voorspellen tot ruim binnen ± 1990%, wat in het slechtste geval is. Over het algemeen zijn DELPHI-modellen geschikt voor gedetailleerd thermisch ontwerpwerk van alle, behalve de meest thermisch kritische pakketten, gestapelde of 10D-IC's, of waar aanvullende informatie nodig is uit de simulatie, bijvoorbeeld de temperatuurverdeling op het matrijsoppervlak. Net als 3-Resistor-modellen bevatten ze alleen weerstanden en kunnen ze dus alleen worden gebruikt voor steady-state-simulatie.
Gedetailleerde modellen
Gedetailleerde modellen zijn thermische modellen die op discrete wijze alle thermisch relevante kenmerken van de interne onderdelen van de verpakking modelleren. Merk op dat deze modellen vaak een zekere mate van benadering bevatten, omdat kenmerken zoals individuele verbindingsdraden en soldeerballen vaak op één hoop worden gegooid. Dergelijke modellen zijn er echter op gericht om de temperatuurverdeling binnen de verpakking nauwkeurig weer te geven. Als de geometrie en materiaaleigenschappen correct zijn, bieden dergelijke modellen de hoogste betrouwbaarheid.
Figuur 3 Gedetailleerd thermisch model van een chippakket
Componenten die specifieke oplossingen voor thermisch beheer vereisen, zoals een koellichaam, ventilator of thermisch kussen, moeten in detail worden gemodelleerd om de koeloplossing correct te optimaliseren. In het geval van een koellichaam is het bijvoorbeeld al lang bekend dat de temperatuurverdeling in de verpakking de temperatuurverdeling in de bodem van het koellichaam beïnvloedt en omgekeerd. Daarom worden voor dergelijke doeleinden gedetailleerde thermische modellen aanbevolen.
Een ander voordeel van gedetailleerde modellen is dat ze het mogelijk maken de temperatuur van de soldeerverbinding te voorspellen. Thermomechanische afschuiving, gekoppeld aan temperatuurverandering, is de belangrijkste stressfactor die de levensduur van soldeerverbindingen beïnvloedt.
Figuur 4 Temperatuurverdeling aan de onderkant van een BGA-verpakking met individuele solerballen
BCI-ROM's
Een recente vooruitgang bij het voorspellen van componenttemperaturen is het gebruik van gereduceerde ordemodellen of ROM's. ROM's kunnen nu onafhankelijk van hun randvoorwaarden (BCI) worden gemaakt in plaats van specifiek voor een bepaalde thermische omgeving. Dat betekent dat BCI-ROM's kunnen worden gemaakt door pakketleveranciers, onafhankelijk van hun thermische omgeving, en aan eindgebruikers kunnen worden geleverd voor gebruik bij het simuleren van een specifieke thermische omgeving. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende formaten, zoals onbewerkte matrices, SPICE, VHDL-AMS en FMU. Er zijn nu een reeks auteursopties voor BCI-ROM's binnen Simcenter.
BCI-ROM's hebben nog andere zeer wenselijke kenmerken:
- Ze zijn zeer nauwkeurig, waarbij de nauwkeurigheid wordt gedefinieerd als onderdeel van het creatieproces (doorgaans > 98%)
- Ondersteuning van meerdere warmtebronnen
- Ondersteun alle tijdelijke tijdschalen
- Verberg gevoelige IP-adressen, omdat de interne geometrie van het bovenliggende gedetailleerde model waarvan ze zijn afgeleid niet kan worden reverse-engineered vanuit het ROM
- Rapporteer de juiste junctietemperatuur die door de leverancier is gedefinieerd, zonder dat de leverancier hoeft te onthullen waar dat binnen het model is.
- Los ordes van grootte sneller op dan gedetailleerde modellen
Een groot voordeel hiervan is dat ze kunnen worden opgenomen in circuitsimulators, zoals Xpedition AMS en PartQuest Explore, waardoor ze 'temperatuurbewust' kunnen zijn, wat essentieel is voor het verkrijgen van nauwkeurige vermogensschattingen in een vroeg ontwerpproces.
Het gebruik van BCI-ROM's binnen 3D CFD-simulators heeft het potentieel om een game-changer te zijn in de toeleveringsketen voor thermische pakketmodellen, en BCI-ROM's kunnen ook voor hele borden worden gemaakt.
Tip 5: Creëer uw modellen naar wens
In de praktijk kan de keuze voor een thermisch model grotendeels afhangen van wat er bij de leverancier verkrijgbaar is. Zelfs vandaag de dag merken we dat leveranciers alleen informatie in de vorm van een datasheet leveren, bijvoorbeeld als PDF, en dat deze mogelijk niet de informatie bevatten die nodig is voor zelfs maar een basis thermisch ontwerp. Het gegevensblad kan bijvoorbeeld alleen een thermische weerstand tussen de verbinding en de omgeving bevatten, die niet kan worden gebruikt voor ontwerp, en alleen prestatievergelijking. JEDEC heeft JEP1817 gepubliceerd, een standaard bestandsformaat voor gegevensuitwisseling met thermische simulatie. Het is op XML gebaseerd en maakt gebruik van ECXML, ontwikkeld door Siemens, een afkorting van 'electronicscooling extensible mark-up Language'.
We hopen dat deze tips uw reis zijn begonnen om de voorspellingen van de componenttemperatuur te verbeteren. Graag nog vijf extra tips download dit gratis whitepaper.
Auteur
Dr. John Parry, Industriedirecteur Simcenter, Elektronica en Halfgeleider, Siemens Digital Industries-software
