Mais recentemente, a previsão de confiabilidade baseada na física relacionou as taxas de falhas de conjuntos eletrônicos à magnitude da mudança de temperatura ao longo de um ciclo operacional (ligar, desligar, ligar...) e à taxa de mudança de temperatura, ambas influenciadas pela temperatura operacional em estado estacionário.
As falhas eletrônicas são frequentemente atribuídas à fadiga da junta de solda na interconexão da placa-pacote. Em algumas aplicações, como a computação, onde o desempenho é fundamental, a temperatura afeta negativamente a velocidade. Noutros casos, os componentes têm de funcionar a temperaturas muito semelhantes para evitar problemas de temporização. Altas temperaturas podem causar problemas operacionais, como travamento. Quer a intenção seja aumentar a confiabilidade, melhorar o desempenho ou evitar problemas durante a operação, a previsão precisa das temperaturas dos componentes ajuda os projetistas térmicos a atingir seus objetivos.
Maximize a certeza na previsão da temperatura dos componentes
A previsão confiável e precisa das temperaturas dos componentes permite que os projetistas entendam o quão próximos os valores do projeto estão da temperatura máxima permitida*. Aqui estão cinco dicas para obter uma previsão de temperatura dos componentes de alta fidelidade em todo o fluxo do projeto e obter maior confiança nos resultados finais da simulação.
Dica 1: modele os componentes principais explicitamente
Para prever com precisão a temperatura de um componente chave, o componente deve ser modelado explicitamente como parte da simulação térmica. No entanto, nem todos os componentes precisam ser modelados e muitas vezes é impraticável fazê-lo. Componentes pequenos com baixa densidade de potência que não são particularmente sensíveis ao calor podem ser considerados termicamente benignos e não precisam ser representados discretamente. O calor desses componentes pode ser adicionado como uma fonte de calor de fundo aplicada sobre toda a placa ou como uma fonte de calor na superfície da placa. O software de simulação de resfriamento de eletrônicos deve fornecer opções de filtragem para fazer isso automaticamente em projetos posteriores, quando o layout da placa preenchido for importado do sistema EDA.
Figura 1 Modelo térmico de bomba de insulina, com componentes modelados em diferentes níveis de detalhe
Componentes maiores podem perturbar o fluxo de ar, exigindo que sejam representados diretamente como objetos 3D. Uma classe de componentes que podem se enquadrar nesta categoria são os capacitores eletrolíticos, usados, por exemplo, em fontes de alimentação. Estes são termicamente sensíveis, com uma temperatura máxima permitida baixa. A modelagem explícita de capacitores eletrolíticos pode ajudar a garantir que sua temperatura máxima não seja excedida.
Componentes grandes e de alta potência e componentes com alta densidade de potência precisarão ser modelados discretamente, pois seu gerenciamento térmico e influência nos componentes vizinhos são importantes para o design térmico geral do produto.
Dica 2: Use boas estimativas de potência
Conforme observado acima, parte da decisão sobre se é necessário representar um componente diretamente depende de sua densidade de potência, que é a potência do componente dividida pela sua área de cobertura.
Vale a pena verificar novamente as decisões sobre quais componentes modelar discretamente à medida que o projeto evolui e mais informações ficam disponíveis. No projeto inicial, talvez seja possível usar apenas a potência nominal máxima do componente, em vez de estimar o consumo provável de energia. Os orçamentos de energia para componentes individuais e para a placa como um todo podem mudar ao longo do projeto, portanto, precisam ser verificados novamente regularmente.
Figura 2 Exemplo de perfil de potência versus tempo
Dica 3: Use o modelo térmico de embalagem correto
A regra de ouro é começar cedo e de forma simples. O engenheiro mecânico responsável pela integridade térmica do produto deve ter como objetivo fornecer o máximo de feedback útil possível aos engenheiros eletrônicos para orientar o projeto sobre o impacto térmico de suas escolhas, especialmente durante o projeto inicial.
Do ponto de vista do engenheiro mecânico, no nível da PCB, isso implica ajudar na seleção do pacote e no melhor posicionamento dos componentes para utilizar o fluxo de ar do sistema para resfriamento. Inevitavelmente, tanto o layout quanto a seleção do pacote são orientados principalmente por uma combinação de desempenho eletrônico e considerações de custo. Ainda assim, as consequências dessas escolhas no desempenho térmico devem ser tão claras quanto possível, uma vez que a temperatura e o arrefecimento também afectam o desempenho e o custo. A escolha do modelo térmico do componente depende de vários fatores.
No projeto inicial, antes que a placa seja roteada ou o número de camadas na placa seja conhecido, a previsão precisa da temperatura do componente simplesmente não é possível, portanto, um modelo termicamente sofisticado do componente não é necessário. Posteriormente no projeto, quando o modelo PCB puder ser refinado, o modelo térmico do componente também deverá ser refinado. As escolhas sobre o modelo térmico do componente mais apropriado são iterativas, pois os componentes previstos como quentes* indicam a necessidade de refinar o modelo térmico do componente e talvez considerar uma solução de gerenciamento térmico específica do componente. O design da placa pode fazer parte dessa solução de gerenciamento térmico, por exemplo, usando vias térmicas para conduzir calor para um plano de aterramento enterrado.
Dica 4: Use modelos térmicos compactos desde o projeto inicial
É importante modelar os componentes com precisão e usar uma representação 3D do componente no projeto térmico antes da seleção do pacote. Foram introduzidos modelos térmicos compactos de 2 resistores e DELPHI. Aqui, discutimos com mais detalhes a precisão preditiva desses e de outros modelos térmicos.
Modelos de 2 resistores
Conforme observado, um modelo térmico compacto (CTM) de 2 resistores é o modelo de menor fidelidade capaz de prever as temperaturas da caixa e da junção. Um benefício é que não requer mais malha do que um simples bloco condutor, portanto, o uso de modelos de 2 resistores não tem impacto negativo no tempo de simulação. Embora isso tenha a menor carga computacional, o pior caso de erro na previsão da temperatura da junção pode chegar a ±30% e varia com o tipo e o tamanho da embalagem. As métricas térmicas de resistência da junção à caixa e da resistência da junção à placa nas quais este modelo se baseia são medidas sob condições padronizadas.
O padrão JEDEC JESD15-3 exige que a resistência da junção à placa seja medida em uma placa 2s2p com potência contínua e planos de aterramento. A resistência junção-caixa é medida pressionando a parte superior da embalagem contra uma placa fria. Como resultado, a precisão preditiva do modelo de 2 resistores é maior quanto mais a aplicação se assemelhar às condições de teste.
Para a resistência junção-caixa, o ambiente de aplicação que mais corresponde ao ambiente de teste é quando o componente possui um dissipador de calor cobrindo toda a superfície da embalagem. Por esta razão, modelos de 2 resistores podem ser usados para avaliar inicialmente o tamanho do dissipador de calor necessário.
Observe que a superfície superior de um modelo de 2 resistores é um nó isotérmico que representa o gabinete, de modo que a base do dissipador de calor será mantida próxima da isotérmica. Um modelo de 2 resistores pode, portanto, ser usado para determinar o número de aletas, a espessura e a altura das aletas necessárias para reduzir a resistência térmica do lado do ar do dissipador de calor, mas não a espessura da base necessária para espalhar adequadamente o calor para garantir que o calor a passagem para as nadadeiras externas não é excessivamente restrita.
Modelos de escada RC
Para pacotes que possuem um único caminho de fluxo de calor, como LEDs e pacotes estilo TO, existe uma abordagem padrão JEDEC 3 para medir um resistor térmico-capacitor modelo do caminho do fluxo de calor desde a junção até a aba da embalagem. Observe que este método não fornece diretamente resistência térmica à superfície superior exposta da embalagem. No entanto, desde que isso possa ser estimado de alguma forma, o hardware Simcenter Micred T3STER pode ser usado para criar um modelo térmico de escada RC que leve isso em consideração.
O Simcenter Micred T3STER é a solução líder do setor para medição de ICs empacotados para criar esses modelos térmicos, que podem ser usados diretamente como um conjunto de rede no Simcenter Flotherm. Ao contrário dos modelos de 2 resistores, que contêm apenas resistores térmicos, esses modelos incluem capacitores térmicos e podem ser usados para simulações transitórias. Esses modelos podem fornecer resultados excelentes quando o ambiente de aplicação é próximo ao ambiente de placa fria de teste, por exemplo, quando o pacote é soldado a um MCPCB ou a uma almofada de cobre em uma placa de alta condutividade.
Modelos DELPHI
Os modelos DELPHI são assim chamados porque se originaram do Projeto DELPHI coordenado pela Flomerics Ltd. no final da década de 1990. Esses modelos possuem superfícies superior e inferior particionadas, com uma matriz de resistores térmicos para conectar essas superfícies à junção e/ou entre si. Esses resistores térmicos internos adicionais permitem que o fluxo de calor através desses caminhos dentro do pacote se ajuste dependendo das condições de contorno e, em muitas aplicações, o modelo irá prever a precisão da temperatura da junção com uma margem de ± 10%, sendo o pior caso. Em geral, os modelos DELPHI são adequados para trabalhos detalhados de projeto térmico de todos os pacotes, exceto os mais críticos termicamente, CIs empilhados ou 3D, ou onde informações adicionais são necessárias da simulação, por exemplo, a distribuição de temperatura na superfície da matriz. Assim como os modelos de 2 resistores, eles também contêm apenas resistores, portanto só podem ser usados para simulação de estado estacionário.
Modelos Detalhados
Modelos detalhados são modelos térmicos que modelam discretamente todos os recursos termicamente relevantes dos componentes internos do pacote. Observe que esses modelos geralmente contêm algum grau de aproximação, já que características como fios de ligação individuais e esferas de solda são frequentemente agrupadas. No entanto, tais modelos visam permitir que a distribuição de temperatura dentro da embalagem seja representada com precisão. Se a geometria e as propriedades do material estiverem corretas, tais modelos oferecem a mais alta fidelidade.
Figura 3 Modelo térmico detalhado de um pacote de chips
Os componentes que exigem soluções específicas de gerenciamento térmico, como dissipador de calor, ventilador ou almofada térmica, devem ser modelados detalhadamente para otimizar corretamente a solução de resfriamento. Por exemplo, no caso de um dissipador de calor, sabe-se há muito tempo que a distribuição de temperatura na embalagem influencia a distribuição de temperatura na base do dissipador de calor e vice-versa. Consequentemente, modelos térmicos de pacotes detalhados são recomendados para tais fins.
Outra vantagem dos modelos detalhados é que eles permitem prever a temperatura da interconexão da solda. O cisalhamento termomecânico, juntamente com a mudança de temperatura, é o principal estressor que afeta a vida útil da junta de solda.
Figura 4 Distribuição de temperatura na parte inferior de uma embalagem BGA mostrando bolas de soler individuais
ROMs BCI
Um avanço recente na previsão de temperaturas de componentes é através do uso de modelos de ordem reduzida, ou ROMs. ROMs agora podem ser criadas independentemente de suas condições de contorno (BCI), em vez de específicas para um determinado ambiente térmico. Isso significa que os BCI-ROMs podem ser criados por fornecedores de pacotes, independentemente do seu ambiente térmico, e fornecidos aos usuários finais para uso na simulação de um ambiente térmico específico. Eles estão disponíveis em vários formatos, como matrizes brutas, SPICE, VHDL-AMS e FMU. Agora há uma variedade de opções de autoria para BCI-ROMs no Simcenter.
Os BCI-ROMs têm outras características muito desejáveis:
- Eles são altamente precisos, com precisão definida como parte do processo de criação (normalmente > 98%)
- Suporta múltiplas fontes de calor
- Suporta todos os prazos transitórios
- Ocultar IP sensível, pois a geometria interna do modelo detalhado pai do qual eles são derivados não pode ser submetida a engenharia reversa a partir da ROM
- Relate a temperatura de junção apropriada definida pelo fornecedor sem que o fornecedor precise revelar onde está dentro do modelo.
- Resolva ordens de magnitude mais rapidamente do que modelos detalhados
Uma grande vantagem disso é que eles podem ser incluídos em simuladores de circuito, como o Xpedition AMS e o PartQuest Explore, permitindo que eles estejam “conscientes da temperatura”, o que é fundamental para obter estimativas precisas de potência no projeto inicial.
O uso de BCI-ROMs em simuladores 3D CFD tem o potencial de ser um divisor de águas na cadeia de fornecimento de modelos térmicos de pacotes, e BCI-ROMs também podem ser criados para placas inteiras.
Dica 5: Crie seus modelos conforme necessário
Na prática, a escolha do modelo térmico pode depender em grande parte do que está disponível no fornecedor. Ainda hoje, descobrimos que os fornecedores só podem fornecer informações na forma de uma folha de dados, por exemplo, como um PDF, e estes podem não conter as informações necessárias até mesmo para o projeto térmico básico. Por exemplo, a folha de dados pode conter apenas uma resistência térmica entre a junção e o ambiente, que não pode ser usada para projeto, e apenas para comparação de desempenho. A JEDEC publicou o JEP1817, um formato de arquivo padrão para troca de dados de simulação térmica. É baseado em XML, usando ECXML desenvolvido pela Siemens, abreviação de 'eletrônica refrigerando linguagem de marcação extensível'.
Esperamos que essas dicas tenham iniciado sua jornada para melhorar as previsões de temperatura dos componentes. Para mais cinco dicas, por favor baixe este whitepaper gratuito.
Autor
Dr. John Parry, Diretor de Indústria do Simcenter, Eletrônica e Semicondutores, Siemens Digital Industries Software
