Zrozumienie parametrów termicznych układów scalonych, czy to mikrokontrolerów, FPGA, czy procesorów, zawsze było niezbędne, aby uniknąć ich przegrzewania, które może powodować awarie. Miniaturyzacja systemów elektronicznych i rozpowszechnianie się komponentów generujących dużo ciepła, takich jak diody LED czy układy do obliczeń, sprawia, że rola analizy termicznej staje się coraz bardziej istotna jako narzędzie do zapewnienia prawidłowego działania i niezawodności produktów. Niestety przemysł elektroniczny nie wydaje się jeszcze w pełni przygotowany na to nowe wyzwanie: producenci części często dostarczają bardzo wąskie informacje na temat zachowania termicznego swoich urządzeń, czasem ograniczając się do ogólnego generowanego ciepła w watach. Ostatecznie rozwiązania software'owe pozwalają na rozpracowywanie problemów projektowych związanych z zarządzaniem termicznym, aby poprawić wydajność.
Opierając się na przetestowanej architekturze z wysokim stopniem równoległości obliczeń, która oferuje efektywność nawet 10 razy lepszą niż rozwiązania poprzedniej generacji, bez tracenia na precyzji, Cadence Celsius Thermal Solver jest zintegrowany z platformami implementacji Cadence dla układów scalonych, obudów i płytek PCB. Pozwala to na wykonywanie analizy systemowej w celu wykrywania i łagodzenia problemów termicznych we wczesnym stadium procesu. Cadence twierdzi, że jego pakiet Celsius Thermal Solver jest pierwszym kompletnym rozwiązaniem ko-symulacji elektryczno-termicznej dla całej hierarchii systemów elektronicznych, począwszy od układów scalonych, aż po fizyczne pakiety PCB. Ponadto, wsparcie zaawansowanych technologii i architektur półprzewodnikowych oraz dynamiczne zarządzanie mocą zapewniają dokładne modelowanie procesów cieplnych, co umożliwia projektantom identyfikację obszarów krytycznych i zoptymalizowanie parametrów termicznych systemu. Dzięki temu inżynierowie mogą projektować niezawodne i wydajne produkty, minimalizując ryzyko przegrzania i awarii układów.
W miarę jak elektroniczne systemy stają się bardziej złożone i wymagają coraz większej mocy obliczeniowej, analiza cieplna okazuje się kluczowym elementem projektowania. Rozwiązania, takie jak Cadence Celsius Thermal Solver, służą za nieocenione narzędzia w rękach inżynierów, pozwalając na precyzyjne i zaawansowane modelowanie termiczne, co prowadzi do doskonałej wydajności i niezawodności nowoczesnych produktów elektronicznych.
Parametry termiczne
W szczególności przedsiębiorstwa korzystające z obudów elementów scalonych z pakowaniem 3D stoją przed ogromnymi wyzwaniami, które mogą nie zostać zidentyfikowane do późnych etapów projektowania, kiedy to wprowadzenie zmian jest najdroższe. Dlatego też zarządzanie termiczne staje się kluczowe podczas wyboru obudowy, aby zapewnić wysoką niezawodność produktu. Poprawna analiza cieplna wymaga połączenia obliczeń analitycznych, analizy empirycznej oraz modelowania termicznego. Problem polega również na określeniu, czy dany układ scalony jest sprawny przy wysokich temperaturach, a wszystko w tym zakresie zależne jest od mocy i czasu.
Związek łączący temperaturę z czasem wynika z dwóch głównych ujęć: prawa stygnięcia Newtona oraz zasady zachowania energii przy braku kondensacji. Pierwsze ze wskazanych można zdefiniować, jak pokazano na równaniu 1:
$$\frac {dT_B} {dt} = -K_A \times (T_B - T_A) \qquad (1) $$
gdzie T_B to temperatura obudowy, a T_A temperatura otoczenia. Z kolei K_A to współczynnik proporcjonalności. Równanie 2 opisuje tymczasem drugie prawo:
$$\frac {\Delta T}{\Delta t} = \frac {P} {mc} \qquad (2) $$
gdzie P oznacza moc dostarczoną do ciała, m masę, a c pojemność cieplną. Prawo Newtona stwierdza, że szybkość utraty ciepła przez ciało jest proporcjonalna do różnicy temperatury między ciałem a otoczeniem. Łącząc te dwa ujęcia, otrzymujemy następujący związek pokazany na równaniu 3:
$$\frac {dT_B} {dt} = \frac {P} {mc} -K_A \times (T_B - T_A) \qquad (3) $$
Rezystancja cieplna jest głównym czynnikiem, który należy przeanalizować. Obliczenia są przeprowadzane w odniesieniu do równowagi cieplnej, czyli gdy:
$$\frac {dT_B} {dt} = 0 \qquad (4) $$
Rozwiązując teraz równanie 3, w warunkach równowagi zapisanych na równaniu 4, otrzymujemy następującą zależność:
$$P = \frac {T_B - T_A} {\Theta_{JA}} \qquad (5) $$
gdzie:
$$\Theta_{JA} = \frac {1} {mc \times K_A} \qquad (6) $$
jest rezystancja cieplna pomiędzy układem scalonym a otoczeniem.
Problemem jest określenie, czy dany układ scalony jest niezawodny przy wysokich temperaturach. Bez konkretnego sposobu analizy niemożliwe jest udzielenie wiarygodnej odpowiedzi. W trybie pracy stałoprądowej często należy zbadać pewne parametry, takie jak rezystancja cieplna θJA i temperatura złącza TJ. Pierwszy parametr można zdefiniować jako odwrotność przewodności cieplnej, określa on właściwość izolacji cieplnej materiału obudowy i wszystkich interfejsów po drodze. Drugi z kolei, temperatura złącza, jest ważnym czynnikiem w półprzewodniku i bezpośrednio związany z rozproszeniem mocy. Jest on głównie zależny od materiału, z jakiego wykonana jest struktura półprzewodnikowa układu (dla krzemu jest to typowo od 90°C do 125°C, a dla węglika krzemu nawet 225°C, chociaż mówi się o układach do pracy w temperaturach tak wysokich jak 600°C).
Rezystancja cieplna
Opór termiczny jest miarą tego, jak trudne jest przewodzenie ciepła. Jest reprezentowany jako iloraz różnicy temperatury między dwoma określonymi punktami a przepływu ciepła między nimi, jak pokazano w równaniu 6 (ilość przepływającego ciepła na jednostkę czasu). Oznacza to, że im wyższy jest opór termiczny, tym trudniejsze jest przewodzenie ciepła i vice versa.
Stowarzyszenie Technologii Półprzewodnikowych JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) to organizacja branżowa, która standaryzuje specyfikacje w dziedzinie podzespołów półprzewodnikowych. W swojej metodzie pomiaru termicznego układów scalonych, części standardów JESD51, JEDEC znormalizował użycie oznaczenia θXX lub RθXX (Theta-XX, jeśli nie ma dostępnych znaków greckich). Jako XX wprowadza się symbole reprezentujące dwa określone punkty, pomiędzy którymi podaje się daną rezystancję. Na przykład w przedstawionym powyżej przypadku użyto J i A, czyli Junction (złącze — struktura półprzewodnikowa) i Ambient (otoczenie). Dodatkowo, Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC), globalna organizacja zajmująca się określaniem i publikowaniem ogólnoświatowych standardów dla elektryczności, elektroniki i pokrewnych technologii, używa oznaczenia Rth w normach EN 60747-15 dla dyskretnych urządzeń półprzewodnikowych.
Z uwagi na powyższe wymagania, w kartach katalogowych, często jest tak, że symbol θ jest stosowany dla układów scalonych, podczas gdy Rth dla elementów dyskretnych. Jednostką oporu termicznego jest K/W lub °C/W. Mimo że K i °C różnią się w swoich wartościach bezwzględnych (0 K = -273,15°C), można je traktować jako równoważne w odniesieniu do temperatur względnych (ponieważ 1 K = 1 °C).
Oporność termiczna może być rozważana w sposób analogiczny do oporu elektrycznego. Podstawowe wzory obliczeń termicznych mogą być traktowane tak samo, jak prawo Ohma. Analogia pomiędzy oporem elektrycznym i termicznym jest dosyć szeroka. Nie tylko opory te sumują się jednako (w przypadku połączeń szeregowych i równoległych), tak i sporo innych zależności jest zachowanych, jeśli uwzględnimy, jakie są analogie poszczególnych zmiennych. Pokazano to w tabeli 1.
Narzędzia termiczne
Główne techniki stosowane do prawidłowego zarządzania ciepłem można podsumować w następujący sposób: części kompozytowe, które są zwykle głównymi wymiennikami ciepła w grupie zarządzania ciepłem (radiatory); narzędzia do projektowania, modelowania i analizy, których inżynierowie i projektanci systemów używają do testowania, tworzenia i weryfikacji wydajności komponentów termicznych oraz materiały podłoży do obudów elementów elektronicznych. Oprogramowanie do projektowania układów umożliwia przeprowadzanie analizy termicznej za pomocą modeli i obliczeniowej dynamiki płynów w celu zarządzania przepływem powietrza i temperaturą części oraz różnych połączeń.
Łącząc techniki analizy elementów skończonych (FEA) dla struktur stałych i obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) dla płynów, rozwiązanie przedstawione przez Cadence pozwala na pełną weryfikację i modelowanie systemu za pomocą jednego instrumentu. Podczas korzystania z programu Celsius Thermal Solver z technologiami Voltus IC Power Integrity i Sigrity do budowy płytek drukowanych i układów scalonych zespoły projektowe mogą łączyć analizę elektryczną i termiczną oraz symulować przepływ prądu i ciepła, uzyskując dokładniejsze odzwierciedlenie termiczne na poziomie całego systemu niż w przypadku narzędzi poprzedniej generacji.
Trend w sektorze zarządzania ciepłem jest zgodny z rozwojem półprzewodników, mikroprocesorów i technologii komputerowej. Postęp jest wynikiem synergii stale opracowywanych rozwiązań do zarządzania nadmiarem ciepła we współczesnych systemach elektronicznych. Przetwarzanie wysokiej prędkości i wydajności w przemyśle elektronicznym doprowadziło, na przykład, do rozwoju trójwymiarowych (3D) układów scalonych. Technologia 3D pozwala na pionowe połączenia komponentów mikroprocesora w jednej obudowie; przekłada się to na tworzenie modułów wieloczipowych (MCM), pakietów systemowych (SiP, SOP) i na konfiguracje pakietu na pakiecie (POP). Procesory 3D są kompaktowe i mają krótsze połączenia. Poprawia to przepustowość dostępu do pamięci i redukuje zużycie energii oraz rozpraszania ciepła. Ponadto, integruje różne technologie w jednym pakiecie, aby skrócić czas wprowadzenia układu na rynek i uczynić dany element bardziej opłacalnym ekonomicznie.
Jednak technologia 3D powoduje zwiększenie rezystancji cieplnej, a nierównomierne rozpraszanie energii problemy termiczne, takie jak powstawanie gorących punktów, wysokie gradienty temperatury i naprężenia termiczne. Wymaga to odpowiednich rozwiązań dla mikroprocesorów 3D, takich jak chłodzenie radiatora cieczą przez mikrokanaliki (MHS), TSV (Through Silicon Via), specjalne interfejsy materiałów termicznych (TIM) i radiatory z chłodzeniem wykorzystującym powietrze z wymuszonym jego obiegiem (AHS). Połączenia poprzez krzemowe przelotki (TSV) są uważane za skuteczne środki zmniejszające temperaturę układów 3D. Stanowią wydajną technikę połączeń, używaną po raz pierwszy w sensorach obrazu CMOS.
Cadence Celsius Thermal Solver wykonuje statyczne i dynamiczne (przejściowe) symulacje elektrotermiczne na podstawie faktycznego przepływu energii elektrycznej w zaawansowanych strukturach 3D, oferując maksymalną widoczność zachowania rzeczywistego systemu. Uwzględnia on wszystkie opisane powyżej techniki chłodzenia czy zarządzania ciepłem w układach.
„Sprawność elektryczna, jak wiemy, zależy od profilu termicznego. Na przykład opór elektryczny i upływ mocy w urządzeniu zależą od temperatury. A temperatura wpłynie również na funkcjonalność i niezawodność sprzętu. Z drugiej strony profil termiczny będzie zależny od parametrów elektrycznych. Ogrzewanie Joule'a wprowadziłoby dodatkowe źródło ciepła do systemu, a zły projekt może spowodować duży skok prądu w ścieżkach, odpowiadając za niekorzystne gorące punkty. Aby uzyskać lepszy rezultat, ważne jest jednoczesne uwzględnienie tych parametrów, a to esencja naszego rozwiązania” — powiedział CT Kao, dyrektor ds. zarządzania produktem w jednostce biznesowej Multi-Domain System Analysis w firmie Cadence.
Rys.1. Profil temperaturowy struktur
3D wewnątrz obudowy z metalowymi
połączeniami, wygenerowany przez
Cadence Celsius Thermal Solver.„Zidentyfikowaliśmy trzy rodzaje podejść do przezwyciężania problemów związanych z analizą termiczną, jakie inżynierowie napotykają podczas projektowania: skoncentrowane na układach scalonych, na obudowie i PCB oraz na systemie. W założeniu pierwszym można prowadzić kosymulację elektryczno-termiczną dla złożonych struktur na poziomie chipów, w tym tych 3D, łączenie matrycy do matrycy i przelotki krzemowe. Moc wejściowa może być określona przez użytkownika lub zaimportowana z narzędzia do projektowania układów scalonych, które generuje dokładne profilowanie mocy na chipach. W przypadku aplikacji zorientowanych na obudowy i PCB integrujemy analizę elementów skończonych i CFD, aby przeprowadzać weryfikację stanu przejściowego i ustalonego dla prawdziwych struktur 3D i warstwowych 2D. W kwestii szerszego podejścia skoncentrowanego na systemie, ponownie stosuje się integrację analizy elementów skończonych i CFD do realizacji weryfikacji stanu: przejściowego i ustalonego. Możemy również dostarczyć szczegółowe wyniki symulacji do obudów lub płytek z systemem w oparciu o otrzymane rozwiązanie systemowe” — opowiadał Kao.
Pozwalając zespołom projektowym badać problemy termiczne na wczesnym etapie i dzielić się właściwościami weryfikacji, Cadence Celsius Thermal Solver redukuje zmiany w fazie projektowania i umożliwia nowe oceny i spostrzeżenia, które były niemożliwe z tradycyjnymi opcjami. Ponadto, oprogramowanie to dokładnie symuluje duże systemy z takim poziomem szczegółów, który pozwala na sprawdzenie dowolnego, interesującego elementu, zapewniając rozwiązanie zdolne do modelowania zarówno małych struktur, takich jak układ scalony (z jego rozprowadzeniem mocy), jak i dużych typu obudowa (patrz rysunek 1).
Zarządzanie ciepłem w systemie stanowi kluczową kwestię w odpowiednim kontrolowaniu temperatury układów scalonych, co może wpływać na ich wydajność i innych mikroelektronicznych komponentów. Może także mieć swoje odbicie w niezawodności tych urządzeń pod względem kosztów i impaktu na środowisko. Wraz z powszechniejszym stosowaniem mikroelektroniki i rosnącym zapotrzebowaniem na wysoką sprawność w coraz bardziej zaawansowanych zastosowaniach, zarządzanie ciepłem stało się niezwykle ważne w różnych branżach przemysłu, takich jak oświetlenie LED. Poprawa tego aspektu poprzez efektywną analizę termiczną zapewnia skuteczne odprowadzanie ciepła w urządzeniach elektronicznych o coraz większej mocy obliczeniowej i bardziej kompaktowych.
Źródła:
https://www.eetimes.com/thermal-analysis-for-power-devices/
https://www.powerelectronicsnews.com/high-performance-thermal-analysis/
https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/abs/integrated-circuits-in-silicon-carbide-for-hightemperature-applications/DB1F56D382D5C3028D596D74A57B86AB
https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/common/basics_of_thermal_resistance_and_heat_dissipation_an-e.pdf
Opierając się na przetestowanej architekturze z wysokim stopniem równoległości obliczeń, która oferuje efektywność nawet 10 razy lepszą niż rozwiązania poprzedniej generacji, bez tracenia na precyzji, Cadence Celsius Thermal Solver jest zintegrowany z platformami implementacji Cadence dla układów scalonych, obudów i płytek PCB. Pozwala to na wykonywanie analizy systemowej w celu wykrywania i łagodzenia problemów termicznych we wczesnym stadium procesu. Cadence twierdzi, że jego pakiet Celsius Thermal Solver jest pierwszym kompletnym rozwiązaniem ko-symulacji elektryczno-termicznej dla całej hierarchii systemów elektronicznych, począwszy od układów scalonych, aż po fizyczne pakiety PCB. Ponadto, wsparcie zaawansowanych technologii i architektur półprzewodnikowych oraz dynamiczne zarządzanie mocą zapewniają dokładne modelowanie procesów cieplnych, co umożliwia projektantom identyfikację obszarów krytycznych i zoptymalizowanie parametrów termicznych systemu. Dzięki temu inżynierowie mogą projektować niezawodne i wydajne produkty, minimalizując ryzyko przegrzania i awarii układów.
W miarę jak elektroniczne systemy stają się bardziej złożone i wymagają coraz większej mocy obliczeniowej, analiza cieplna okazuje się kluczowym elementem projektowania. Rozwiązania, takie jak Cadence Celsius Thermal Solver, służą za nieocenione narzędzia w rękach inżynierów, pozwalając na precyzyjne i zaawansowane modelowanie termiczne, co prowadzi do doskonałej wydajności i niezawodności nowoczesnych produktów elektronicznych.
Parametry termiczne
W szczególności przedsiębiorstwa korzystające z obudów elementów scalonych z pakowaniem 3D stoją przed ogromnymi wyzwaniami, które mogą nie zostać zidentyfikowane do późnych etapów projektowania, kiedy to wprowadzenie zmian jest najdroższe. Dlatego też zarządzanie termiczne staje się kluczowe podczas wyboru obudowy, aby zapewnić wysoką niezawodność produktu. Poprawna analiza cieplna wymaga połączenia obliczeń analitycznych, analizy empirycznej oraz modelowania termicznego. Problem polega również na określeniu, czy dany układ scalony jest sprawny przy wysokich temperaturach, a wszystko w tym zakresie zależne jest od mocy i czasu.
Związek łączący temperaturę z czasem wynika z dwóch głównych ujęć: prawa stygnięcia Newtona oraz zasady zachowania energii przy braku kondensacji. Pierwsze ze wskazanych można zdefiniować, jak pokazano na równaniu 1:
$$\frac {dT_B} {dt} = -K_A \times (T_B - T_A) \qquad (1) $$
gdzie T_B to temperatura obudowy, a T_A temperatura otoczenia. Z kolei K_A to współczynnik proporcjonalności. Równanie 2 opisuje tymczasem drugie prawo:
$$\frac {\Delta T}{\Delta t} = \frac {P} {mc} \qquad (2) $$
gdzie P oznacza moc dostarczoną do ciała, m masę, a c pojemność cieplną. Prawo Newtona stwierdza, że szybkość utraty ciepła przez ciało jest proporcjonalna do różnicy temperatury między ciałem a otoczeniem. Łącząc te dwa ujęcia, otrzymujemy następujący związek pokazany na równaniu 3:
$$\frac {dT_B} {dt} = \frac {P} {mc} -K_A \times (T_B - T_A) \qquad (3) $$
Rezystancja cieplna jest głównym czynnikiem, który należy przeanalizować. Obliczenia są przeprowadzane w odniesieniu do równowagi cieplnej, czyli gdy:
$$\frac {dT_B} {dt} = 0 \qquad (4) $$
Rozwiązując teraz równanie 3, w warunkach równowagi zapisanych na równaniu 4, otrzymujemy następującą zależność:
$$P = \frac {T_B - T_A} {\Theta_{JA}} \qquad (5) $$
gdzie:
$$\Theta_{JA} = \frac {1} {mc \times K_A} \qquad (6) $$
jest rezystancja cieplna pomiędzy układem scalonym a otoczeniem.
Problemem jest określenie, czy dany układ scalony jest niezawodny przy wysokich temperaturach. Bez konkretnego sposobu analizy niemożliwe jest udzielenie wiarygodnej odpowiedzi. W trybie pracy stałoprądowej często należy zbadać pewne parametry, takie jak rezystancja cieplna θJA i temperatura złącza TJ. Pierwszy parametr można zdefiniować jako odwrotność przewodności cieplnej, określa on właściwość izolacji cieplnej materiału obudowy i wszystkich interfejsów po drodze. Drugi z kolei, temperatura złącza, jest ważnym czynnikiem w półprzewodniku i bezpośrednio związany z rozproszeniem mocy. Jest on głównie zależny od materiału, z jakiego wykonana jest struktura półprzewodnikowa układu (dla krzemu jest to typowo od 90°C do 125°C, a dla węglika krzemu nawet 225°C, chociaż mówi się o układach do pracy w temperaturach tak wysokich jak 600°C).
Rezystancja cieplna
Opór termiczny jest miarą tego, jak trudne jest przewodzenie ciepła. Jest reprezentowany jako iloraz różnicy temperatury między dwoma określonymi punktami a przepływu ciepła między nimi, jak pokazano w równaniu 6 (ilość przepływającego ciepła na jednostkę czasu). Oznacza to, że im wyższy jest opór termiczny, tym trudniejsze jest przewodzenie ciepła i vice versa.
Stowarzyszenie Technologii Półprzewodnikowych JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) to organizacja branżowa, która standaryzuje specyfikacje w dziedzinie podzespołów półprzewodnikowych. W swojej metodzie pomiaru termicznego układów scalonych, części standardów JESD51, JEDEC znormalizował użycie oznaczenia θXX lub RθXX (Theta-XX, jeśli nie ma dostępnych znaków greckich). Jako XX wprowadza się symbole reprezentujące dwa określone punkty, pomiędzy którymi podaje się daną rezystancję. Na przykład w przedstawionym powyżej przypadku użyto J i A, czyli Junction (złącze — struktura półprzewodnikowa) i Ambient (otoczenie). Dodatkowo, Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC), globalna organizacja zajmująca się określaniem i publikowaniem ogólnoświatowych standardów dla elektryczności, elektroniki i pokrewnych technologii, używa oznaczenia Rth w normach EN 60747-15 dla dyskretnych urządzeń półprzewodnikowych.
Z uwagi na powyższe wymagania, w kartach katalogowych, często jest tak, że symbol θ jest stosowany dla układów scalonych, podczas gdy Rth dla elementów dyskretnych. Jednostką oporu termicznego jest K/W lub °C/W. Mimo że K i °C różnią się w swoich wartościach bezwzględnych (0 K = -273,15°C), można je traktować jako równoważne w odniesieniu do temperatur względnych (ponieważ 1 K = 1 °C).
Oporność termiczna może być rozważana w sposób analogiczny do oporu elektrycznego. Podstawowe wzory obliczeń termicznych mogą być traktowane tak samo, jak prawo Ohma. Analogia pomiędzy oporem elektrycznym i termicznym jest dosyć szeroka. Nie tylko opory te sumują się jednako (w przypadku połączeń szeregowych i równoległych), tak i sporo innych zależności jest zachowanych, jeśli uwzględnimy, jakie są analogie poszczególnych zmiennych. Pokazano to w tabeli 1.
Tab.1. Analogie pomiędzy parametrami elektrycznymi a termicznymi
| Elektryczne | Różnica potencjałów — napięcie ΔV (V) | Rezystancja elektryczna R (Ω) | Prąd I (A) |
| Termiczne | Różnica temperatur ΔT (°C) | Rezystancja termiczna θ (K/W) | Przepływ ciepła P (W) |
Narzędzia termiczne
Główne techniki stosowane do prawidłowego zarządzania ciepłem można podsumować w następujący sposób: części kompozytowe, które są zwykle głównymi wymiennikami ciepła w grupie zarządzania ciepłem (radiatory); narzędzia do projektowania, modelowania i analizy, których inżynierowie i projektanci systemów używają do testowania, tworzenia i weryfikacji wydajności komponentów termicznych oraz materiały podłoży do obudów elementów elektronicznych. Oprogramowanie do projektowania układów umożliwia przeprowadzanie analizy termicznej za pomocą modeli i obliczeniowej dynamiki płynów w celu zarządzania przepływem powietrza i temperaturą części oraz różnych połączeń.
Łącząc techniki analizy elementów skończonych (FEA) dla struktur stałych i obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) dla płynów, rozwiązanie przedstawione przez Cadence pozwala na pełną weryfikację i modelowanie systemu za pomocą jednego instrumentu. Podczas korzystania z programu Celsius Thermal Solver z technologiami Voltus IC Power Integrity i Sigrity do budowy płytek drukowanych i układów scalonych zespoły projektowe mogą łączyć analizę elektryczną i termiczną oraz symulować przepływ prądu i ciepła, uzyskując dokładniejsze odzwierciedlenie termiczne na poziomie całego systemu niż w przypadku narzędzi poprzedniej generacji.
Trend w sektorze zarządzania ciepłem jest zgodny z rozwojem półprzewodników, mikroprocesorów i technologii komputerowej. Postęp jest wynikiem synergii stale opracowywanych rozwiązań do zarządzania nadmiarem ciepła we współczesnych systemach elektronicznych. Przetwarzanie wysokiej prędkości i wydajności w przemyśle elektronicznym doprowadziło, na przykład, do rozwoju trójwymiarowych (3D) układów scalonych. Technologia 3D pozwala na pionowe połączenia komponentów mikroprocesora w jednej obudowie; przekłada się to na tworzenie modułów wieloczipowych (MCM), pakietów systemowych (SiP, SOP) i na konfiguracje pakietu na pakiecie (POP). Procesory 3D są kompaktowe i mają krótsze połączenia. Poprawia to przepustowość dostępu do pamięci i redukuje zużycie energii oraz rozpraszania ciepła. Ponadto, integruje różne technologie w jednym pakiecie, aby skrócić czas wprowadzenia układu na rynek i uczynić dany element bardziej opłacalnym ekonomicznie.
Jednak technologia 3D powoduje zwiększenie rezystancji cieplnej, a nierównomierne rozpraszanie energii problemy termiczne, takie jak powstawanie gorących punktów, wysokie gradienty temperatury i naprężenia termiczne. Wymaga to odpowiednich rozwiązań dla mikroprocesorów 3D, takich jak chłodzenie radiatora cieczą przez mikrokanaliki (MHS), TSV (Through Silicon Via), specjalne interfejsy materiałów termicznych (TIM) i radiatory z chłodzeniem wykorzystującym powietrze z wymuszonym jego obiegiem (AHS). Połączenia poprzez krzemowe przelotki (TSV) są uważane za skuteczne środki zmniejszające temperaturę układów 3D. Stanowią wydajną technikę połączeń, używaną po raz pierwszy w sensorach obrazu CMOS.
Cadence Celsius Thermal Solver wykonuje statyczne i dynamiczne (przejściowe) symulacje elektrotermiczne na podstawie faktycznego przepływu energii elektrycznej w zaawansowanych strukturach 3D, oferując maksymalną widoczność zachowania rzeczywistego systemu. Uwzględnia on wszystkie opisane powyżej techniki chłodzenia czy zarządzania ciepłem w układach.
„Sprawność elektryczna, jak wiemy, zależy od profilu termicznego. Na przykład opór elektryczny i upływ mocy w urządzeniu zależą od temperatury. A temperatura wpłynie również na funkcjonalność i niezawodność sprzętu. Z drugiej strony profil termiczny będzie zależny od parametrów elektrycznych. Ogrzewanie Joule'a wprowadziłoby dodatkowe źródło ciepła do systemu, a zły projekt może spowodować duży skok prądu w ścieżkach, odpowiadając za niekorzystne gorące punkty. Aby uzyskać lepszy rezultat, ważne jest jednoczesne uwzględnienie tych parametrów, a to esencja naszego rozwiązania” — powiedział CT Kao, dyrektor ds. zarządzania produktem w jednostce biznesowej Multi-Domain System Analysis w firmie Cadence.
Rys.1. Profil temperaturowy struktur
3D wewnątrz obudowy z metalowymi
połączeniami, wygenerowany przez
Cadence Celsius Thermal Solver.
Pozwalając zespołom projektowym badać problemy termiczne na wczesnym etapie i dzielić się właściwościami weryfikacji, Cadence Celsius Thermal Solver redukuje zmiany w fazie projektowania i umożliwia nowe oceny i spostrzeżenia, które były niemożliwe z tradycyjnymi opcjami. Ponadto, oprogramowanie to dokładnie symuluje duże systemy z takim poziomem szczegółów, który pozwala na sprawdzenie dowolnego, interesującego elementu, zapewniając rozwiązanie zdolne do modelowania zarówno małych struktur, takich jak układ scalony (z jego rozprowadzeniem mocy), jak i dużych typu obudowa (patrz rysunek 1).
Zarządzanie ciepłem w systemie stanowi kluczową kwestię w odpowiednim kontrolowaniu temperatury układów scalonych, co może wpływać na ich wydajność i innych mikroelektronicznych komponentów. Może także mieć swoje odbicie w niezawodności tych urządzeń pod względem kosztów i impaktu na środowisko. Wraz z powszechniejszym stosowaniem mikroelektroniki i rosnącym zapotrzebowaniem na wysoką sprawność w coraz bardziej zaawansowanych zastosowaniach, zarządzanie ciepłem stało się niezwykle ważne w różnych branżach przemysłu, takich jak oświetlenie LED. Poprawa tego aspektu poprzez efektywną analizę termiczną zapewnia skuteczne odprowadzanie ciepła w urządzeniach elektronicznych o coraz większej mocy obliczeniowej i bardziej kompaktowych.
Źródła:
https://www.eetimes.com/thermal-analysis-for-power-devices/
https://www.powerelectronicsnews.com/high-performance-thermal-analysis/
https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/abs/integrated-circuits-in-silicon-carbide-for-hightemperature-applications/DB1F56D382D5C3028D596D74A57B86AB
https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/common/basics_of_thermal_resistance_and_heat_dissipation_an-e.pdf
Cool? Ranking DIY
