Gần đây hơn, dự đoán độ tin cậy dựa trên vật lý có liên quan đến tỷ lệ hỏng hóc của các bộ phận điện tử với mức độ thay đổi nhiệt độ trong một chu kỳ hoạt động (bật nguồn, tắt nguồn, bật nguồn…) và tốc độ thay đổi nhiệt độ, cả hai đều bị ảnh hưởng. bởi nhiệt độ hoạt động ở trạng thái ổn định.
Các hư hỏng về điện tử thường được cho là do mối hàn bị mỏi ở phần kết nối giữa gói và bo mạch. Trong một số ứng dụng, như điện toán, nơi hiệu suất là yếu tố then chốt, nhiệt độ sẽ ảnh hưởng xấu đến tốc độ. Trong các trường hợp khác, các bộ phận phải chạy ở nhiệt độ rất giống nhau để tránh các vấn đề về thời gian. Nhiệt độ cao có thể gây ra các vấn đề về vận hành, chẳng hạn như kẹt máy. Cho dù mục đích là tăng độ tin cậy, cải thiện hiệu suất hay tránh các sự cố trong quá trình vận hành thì việc dự đoán chính xác nhiệt độ linh kiện sẽ giúp các nhà thiết kế nhiệt đạt được mục tiêu của họ.
Tối đa hóa sự chắc chắn trong dự đoán nhiệt độ thành phần
Dự đoán chính xác, đáng tin cậy về nhiệt độ thành phần cho phép các nhà thiết kế hiểu được mức độ gần của giá trị thiết kế với nhiệt độ tối đa cho phép*. Dưới đây là năm mẹo để đạt được dự đoán nhiệt độ thành phần có độ chính xác cao trong toàn bộ quy trình thiết kế và tăng độ tin cậy vào kết quả mô phỏng cuối cùng của bạn.
Mẹo 1: Lập mô hình các thành phần chính một cách rõ ràng
Để dự đoán chính xác nhiệt độ của thành phần chính, thành phần đó phải được mô hình hóa rõ ràng như một phần của mô phỏng nhiệt. Tuy nhiên, không phải tất cả các thành phần đều cần phải được mô hình hóa và việc làm như vậy thường không thực tế. Các thành phần nhỏ có mật độ công suất thấp, không đặc biệt nhạy cảm với nhiệt có thể được coi là lành tính về nhiệt và không cần phải biểu diễn một cách riêng biệt. Nhiệt từ các thành phần này có thể được bổ sung dưới dạng nguồn nhiệt nền được áp dụng trên toàn bộ bo mạch hoặc dưới dạng nguồn nhiệt dấu chân trên bo mạch. Phần mềm mô phỏng làm mát điện tử sẽ cung cấp các tùy chọn lọc để thực hiện việc này một cách tự động trong thiết kế muộn khi bố cục bảng điện tử được nhập từ hệ thống EDA.
Hình 1 Mô hình nhiệt của máy bơm insulin, với các bộ phận được mô hình hóa ở các mức độ chi tiết khác nhau
Các thành phần lớn hơn có thể làm gián đoạn luồng không khí, đòi hỏi chúng phải được thể hiện trực tiếp dưới dạng vật thể 3D. Một loại linh kiện có thể thuộc loại này là tụ điện, ví dụ, được sử dụng trong bộ nguồn. Đây là những chất nhạy cảm với nhiệt, có nhiệt độ tối đa cho phép thấp. Mô hình hóa rõ ràng các tụ điện điện phân có thể giúp đảm bảo nhiệt độ tối đa của chúng không bị vượt quá.
Các thành phần lớn, công suất cao và các thành phần có mật độ năng lượng cao sẽ cần được mô hình hóa một cách riêng biệt, vì việc quản lý nhiệt và ảnh hưởng của chúng đến các thành phần lân cận rất quan trọng đối với thiết kế nhiệt tổng thể của sản phẩm.
Mẹo 2: Sử dụng ước tính công suất tốt
Như đã lưu ý ở trên, một phần của quyết định liên quan đến việc có cần thiết phải biểu diễn trực tiếp một thành phần hay không phụ thuộc vào mật độ công suất của nó, tức là công suất thành phần chia cho diện tích dấu chân của nó.
Cần kiểm tra lại các quyết định về thành phần nào sẽ được lập mô hình một cách riêng biệt khi thiết kế phát triển và có thêm thông tin. Trong thiết kế ban đầu, chỉ có thể sử dụng công suất định mức tối đa cho bộ phận thay vì ước tính mức tiêu thụ điện năng có thể xảy ra. Ngân sách điện năng cho từng bộ phận riêng lẻ và toàn bộ bo mạch có thể thay đổi trong quá trình thiết kế, do đó cần phải kiểm tra lại thường xuyên.
Hình 2 Ví dụ về cấu hình công suất và thời gian
Mẹo 3: Sử dụng mô hình nhiệt gói phù hợp
Nguyên tắc vàng là bắt đầu sớm và bắt đầu đơn giản. Kỹ sư cơ khí chịu trách nhiệm về tính toàn vẹn nhiệt của sản phẩm nên đặt mục tiêu cung cấp càng nhiều phản hồi hữu ích càng tốt cho các kỹ sư điện tử để hướng dẫn thiết kế về tác động nhiệt của các lựa chọn của họ, đặc biệt là trong quá trình thiết kế ban đầu.
Từ quan điểm của kỹ sư cơ khí, ở cấp độ PCB, điều này đòi hỏi phải hỗ trợ lựa chọn gói và định vị tốt nhất các bộ phận để tận dụng luồng không khí của hệ thống để làm mát. Không thể tránh khỏi, cả cách bố trí và lựa chọn gói đều được thúc đẩy chủ yếu bởi sự kết hợp giữa hiệu suất điện tử và cân nhắc chi phí. Tuy nhiên, hậu quả của những lựa chọn đó đối với hiệu suất nhiệt cần được làm rõ nhất có thể, vì nhiệt độ và khả năng làm mát cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí. Việc lựa chọn mô hình nhiệt thành phần phụ thuộc vào một số yếu tố.
Trong thiết kế ban đầu, trước khi bo mạch được định tuyến hoặc biết số lớp trong bo mạch, việc dự đoán nhiệt độ thành phần chính xác là không thể, do đó không cần phải có một mô hình phức tạp về nhiệt của thành phần. Sau này trong thiết kế, khi mô hình PCB có thể được tinh chỉnh thì mô hình nhiệt thành phần cũng cần được tinh chỉnh. Các lựa chọn về mô hình nhiệt thành phần thích hợp nhất được lặp đi lặp lại, vì các thành phần được dự đoán là nóng* tự cho thấy nhu cầu tinh chỉnh mô hình nhiệt của thành phần và có thể xem xét giải pháp quản lý nhiệt dành riêng cho thành phần. Thiết kế bo mạch có thể là một phần của giải pháp quản lý nhiệt đó, chẳng hạn như sử dụng vias nhiệt để dẫn nhiệt đến mặt phẳng được chôn dưới đất.
Mẹo 4: Sử dụng các mẫu nhiệt nhỏ gọn từ thiết kế ban đầu
Điều quan trọng là phải mô hình hóa các thành phần một cách chính xác và sử dụng biểu diễn 3D của thành phần trong thiết kế nhiệt trước khi lựa chọn gói. Các mô hình nhiệt nhỏ gọn 2 điện trở và DELPHI đã được giới thiệu. Ở đây, chúng ta thảo luận chi tiết hơn về độ chính xác dự đoán của những mô hình này và các mô hình nhiệt khác.
Model 2 điện trở
Như đã lưu ý, mô hình nhiệt nhỏ gọn 2 điện trở (CTM) là mô hình có độ chính xác thấp nhất có khả năng dự đoán cả nhiệt độ vỏ và nhiệt độ điểm nối. Một lợi ích là nó không yêu cầu nhiều lưới hơn khối dẫn điện đơn giản, do đó việc sử dụng mô hình 2 điện trở không có tác động tiêu cực đến thời gian mô phỏng. Mặc dù điều này có gánh nặng tính toán thấp nhất nhưng sai số trong trường hợp xấu nhất trong dự đoán nhiệt độ điểm nối có thể lên tới ±30% và thay đổi tùy theo loại gói hàng cũng như kích thước gói hàng. Các chỉ số nhiệt điện trở tiếp giáp với vỏ và điện trở tiếp giáp với bảng mạch mà mô hình này dựa trên được đo trong các điều kiện tiêu chuẩn hóa.
Tiêu chuẩn JEDEC JESD15-3 yêu cầu điện trở tiếp giáp phải được đo trên bảng 2s2p với nguồn điện liên tục và mặt phẳng tiếp đất. Điện trở tiếp giáp với vỏ được đo bằng cách ấn mặt trên của gói vào một tấm lạnh. Kết quả là, độ chính xác dự đoán của mô hình 2 điện trở càng cao khi ứng dụng càng giống với điều kiện thử nghiệm.
Đối với điện trở tiếp giáp với vỏ, môi trường ứng dụng tương ứng chặt chẽ nhất với môi trường thử nghiệm là khi thành phần có tản nhiệt bao phủ toàn bộ bề mặt gói. Vì lý do này, mô hình 2 điện trở có thể được sử dụng để đánh giá ban đầu kích thước tản nhiệt cần thiết.
Lưu ý rằng mặt trên của model 2 Điện trở là nút đẳng nhiệt tượng trưng cho vỏ máy sao cho đế tản nhiệt sẽ được giữ gần đẳng nhiệt. Do đó, mô hình 2 điện trở có thể được sử dụng để xác định số lượng cánh tản nhiệt, độ dày cánh tản nhiệt và chiều cao cánh tản nhiệt cần thiết để giảm điện trở nhiệt phía không khí của tản nhiệt, nhưng không phải độ dày đế cần thiết để truyền nhiệt đầy đủ nhằm đảm bảo rằng nhiệt việc truyền sang các vây bên ngoài không bị hạn chế quá mức.
Mô hình thang RC
Đối với các gói có một đường truyền nhiệt duy nhất, chẳng hạn như đèn LED và gói kiểu TO, có phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn 3 của JEDEC để đo điện trở nhiệt-tụ mô hình đường truyền nhiệt từ điểm nối xuống tab gói. Lưu ý rằng phương pháp này không trực tiếp cung cấp khả năng chịu nhiệt cho bề mặt phía trên của bao bì. Tuy nhiên, với điều kiện điều này có thể được ước tính bằng một số phương tiện, phần cứng Simcenter Micred T3STER có thể được sử dụng để tạo mô hình nhiệt thang RC có tính đến điều này.
Simcenter Micred T3STER là giải pháp hàng đầu trong ngành để đo các IC đóng gói nhằm tạo ra các mô hình nhiệt này, có thể được sử dụng trực tiếp như một Bộ lắp ráp mạng trong Simcenter Flotherm. Không giống như các mô hình 2 điện trở chỉ chứa điện trở nhiệt, các mô hình này bao gồm các tụ nhiệt và có thể được sử dụng để mô phỏng tức thời. Các mô hình này có thể cho kết quả tuyệt vời khi môi trường ứng dụng gần với môi trường tấm lạnh thử nghiệm, ví dụ: khi gói được hàn vào MCPCB hoặc miếng đồng trên bảng có độ dẫn cao.
Mô hình DELPHI
Các mẫu DELPHI được đặt tên như vậy vì chúng có nguồn gốc từ Dự án DELPHI do Flomerics Ltd. điều phối vào cuối những năm 1990. Các mô hình này có các bề mặt trên và dưới được phân chia, với một ma trận điện trở nhiệt để kết nối các bề mặt này với điểm nối và/hoặc với nhau. Các điện trở nhiệt bên trong bổ sung này cho phép dòng nhiệt đi qua các đường dẫn này trong gói điều chỉnh tùy thuộc vào các điều kiện biên và trong nhiều ứng dụng, mô hình sẽ dự đoán độ chính xác của nhiệt độ đường giao nhau trong khoảng ±10%, là con số trong trường hợp xấu nhất. Nhìn chung, các mô hình DELPHI phù hợp cho công việc thiết kế nhiệt chi tiết của tất cả ngoại trừ các gói quan trọng nhất về nhiệt, IC xếp chồng hoặc 3D hoặc khi cần thêm thông tin từ mô phỏng, ví dụ: phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn. Giống như các mô hình 2 điện trở, chúng cũng chỉ chứa các điện trở nên chỉ có thể được sử dụng để mô phỏng trạng thái ổn định.
Mô hình chi tiết
Mô hình chi tiết là mô hình nhiệt mô hình hóa một cách riêng biệt tất cả các tính năng liên quan đến nhiệt của bên trong gói. Lưu ý rằng các mô hình này thường chứa một số mức độ gần đúng, vì các đặc điểm như dây liên kết riêng lẻ và bóng hàn thường được gộp lại với nhau. Tuy nhiên, những mô hình như vậy nhằm mục đích cho phép sự phân bổ nhiệt độ trong gói được thể hiện chính xác. Nếu các đặc tính hình học và vật liệu chính xác thì những mô hình như vậy sẽ mang lại độ trung thực cao nhất.
Hình 3 Mô hình nhiệt chi tiết của gói chip
Các thành phần yêu cầu giải pháp quản lý nhiệt cụ thể, chẳng hạn như tản nhiệt, quạt tản nhiệt hoặc tấm tản nhiệt phải được lập mô hình chi tiết để tối ưu hóa giải pháp làm mát một cách chính xác. Ví dụ, trong trường hợp tản nhiệt, từ lâu người ta đã biết rằng sự phân bố nhiệt độ trong gói ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ trong đế tản nhiệt và ngược lại. Do đó, các mô hình nhiệt trọn gói chi tiết được khuyến nghị cho các mục đích như vậy.
Một ưu điểm khác của các mô hình chi tiết là chúng cho phép dự đoán nhiệt độ của mối hàn. Sự cắt cơ nhiệt, cùng với sự thay đổi nhiệt độ, là yếu tố gây ứng suất chính ảnh hưởng đến tuổi thọ của mối hàn.
Hình 4 Sự phân bố nhiệt độ ở mặt dưới của gói BGA hiển thị các bi đế riêng lẻ
BCI-ROM
Một tiến bộ gần đây trong việc dự đoán nhiệt độ các thành phần là thông qua việc sử dụng các mô hình bậc giảm hoặc ROM. Giờ đây, ROM có thể được tạo độc lập với các điều kiện biên (BCI) của chúng thay vì dành riêng cho môi trường nhiệt nhất định. Điều đó có nghĩa là BCI-ROM có thể được tạo bởi các nhà cung cấp gói, không phụ thuộc vào môi trường nhiệt của họ và được cung cấp cho người dùng cuối để sử dụng trong việc mô phỏng một môi trường nhiệt cụ thể. Chúng có sẵn ở nhiều định dạng khác nhau, chẳng hạn như ma trận thô, SPICE, VHDL-AMS và FMU. Hiện tại có nhiều tùy chọn biên soạn cho BCI-ROM trong Simcenter.
BCI-ROM có những đặc điểm rất đáng mong đợi khác:
- Chúng có độ chính xác cao, với độ chính xác được xác định là một phần của quá trình tạo (thường > 98%)
- Hỗ trợ nhiều nguồn nhiệt
- Hỗ trợ tất cả các khoảng thời gian nhất thời
- Ẩn IP nhạy cảm vì hình dạng bên trong của mô hình chi tiết gốc mà chúng bắt nguồn từ đó không thể được thiết kế ngược từ ROM
- Báo cáo nhiệt độ đường giao nhau thích hợp do nhà cung cấp xác định mà không cần nhà cung cấp phải tiết lộ vị trí đó trong mô hình.
- Giải quyết các đơn đặt hàng có độ lớn nhanh hơn các mô hình chi tiết
Ưu điểm chính của việc này là chúng có thể được đưa vào các trình mô phỏng mạch, như Xpedition AMS và PartQuest Explore, cho phép chúng 'nhận biết nhiệt độ', đây là chìa khóa để có được ước tính công suất chính xác trong thiết kế ban đầu.
Việc sử dụng BCI-ROM trong trình mô phỏng CFD 3D có tiềm năng trở thành yếu tố thay đổi cuộc chơi trong chuỗi cung ứng cho các mô hình nhiệt trọn gói và BCI-ROM cũng có thể được tạo cho toàn bộ bo mạch.
Mẹo 5: Tạo mô hình của bạn theo yêu cầu
Trong thực tế, việc lựa chọn mô hình nhiệt có thể phụ thuộc phần lớn vào những gì có sẵn từ nhà cung cấp. Thậm chí ngày nay, chúng tôi nhận thấy các nhà cung cấp chỉ có thể cung cấp thông tin ở dạng biểu dữ liệu, ví dụ như dưới dạng PDF và những thông tin này có thể không chứa thông tin cần thiết cho ngay cả thiết kế nhiệt cơ bản. Ví dụ: bảng dữ liệu có thể chỉ chứa điện trở nhiệt tiếp giáp với môi trường xung quanh, không thể sử dụng cho mục đích thiết kế và chỉ so sánh hiệu suất. JEDEC đã xuất bản JEP1817, một định dạng tệp tiêu chuẩn để trao đổi dữ liệu mô phỏng nhiệt. Nó dựa trên XML, sử dụng ECXML do Siemens phát triển, viết tắt của 'ngôn ngữ đánh dấu mở rộng làm mát điện tử'.
Chúng tôi hy vọng rằng những lời khuyên này đã bắt đầu hành trình cải thiện dự đoán nhiệt độ linh kiện của bạn. Để biết thêm năm lời khuyên, vui lòng tải xuống sách trắng miễn phí này.
Tác giả
Tiến sĩ John Parry, Giám đốc Công nghiệp Simcenter, Điện tử & Semiconductor, Phần mềm Công nghiệp Kỹ thuật số Siemens
