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Engineering Edge

泰利斯和Flotherm®XT的电子热设计

A Step Further in Thermal Modeling of Electronic Components

T电子热设计的目标是准确预测元件的结温,以确保它们符合规范要求。Easier said than done.Before CFD was used,设计师使用简单的指标,such as junction-to-case thermal resistance,作为手工计算中组件的“热模型”,具有很宽的安全裕度,以确保设计的热可行性。CFD使设计人员能够预测冷却空气的流量,包括对电路板和元件的三维热模拟,增加了对更精确的组件级建模的需求。

20世纪90年代发明了各种方法。连接到外壳和连接到板的热测量相结合形成一个2电阻模型,and the DELPHI Consortium developed multi-resistor models that accounted for multiple heat flow paths in the package,increasing the predictive accuracy further.最精确的热模型,它还考虑了瞬态效应,能够处理多模具封装,are detailed 3D conduction models.The increasing use of miniaturized high powered devices and High Density Interconnection boards intensifies the coupling effect with neighboring thermally-sensitive components,越来越需要准确预测所有部件的温度。

泰雷兹公司工程热力团队负责在泰雷兹集团内部引进新技术,因此处于热研究的前沿。这是为了在尽可能短的时间内获得更精确的模拟结果,以满足其支持的部门的工业要求,包括防守,航空航天与空间安全。As a DELPHI consortium partner,该小组继续自己对降阶模型的使用进行研究,created from detailed models,通过泰雷兹的热分析工作台(瓦特),为泰雷兹各部门提供所需的资源。

图1。泰利斯热分析工作台(瓦特)

到现在为止,由于电子元件中存在大量的微观元素,无法将所有与热有关的细节纳入详细模型,这一努力受到阻碍。比以往任何时候都多,为了避免对半导体温度的过高估计,今天必须对一个小封装的所有细节进行精确的描述。

一个QFN 16封装的实际建模降低了20%的温度预测。
Figure 2.一个QFN 16封装的实际建模降低了20%的温度预测。
Flotherm XT中Jedec 2S2P测试板上的组件,显示内部细节,包括连接线
Figure 3.Flotherm XT中Jedec 2S2P测试板上的组件,显示内部细节,包括连接线

由于考虑到组件包内的所有几何图形花费的时间太长或只是不切实际,因此在组件级别始终存在保守的设计裕度。例如,详细的铜痕迹,copper vias on the substrate as well as the bond wires between the die and the substrate were rarely modeled explicitly,但已知有助于热扩散。到目前为止,这些非常小的元素要么粗略地用具有平均热性能的单个部件表示,要么被忽略。用单个聚合部件替换它们会导致结果不准确,while ignoring them leads to a higher calculated temperature and consequently higher margins during the design process.

With FloTHERM XT,the Core Thermal Team has been able to take a major step forward,producing,几个小时后,results for System-in-Package devices or conventional BGA or LGA packages including all geometric elements inside the package.

例如,泰雷兹核心热力团队已经能够导入完整的FPBGA 208封装几何结构及其所有内部细节,以及其支持的电路板测试车辆,然后在几个小时内设置一般边界条件。

Flotherm XT的啮合策略,which is based on the local size of the different parts of the model,requires very few user inputs and allows for the creation of an appropriate and easily solvable 1.9-million-cell mesh in less than three hours of computation on a 12- core Intel Xeon processor.强大的解决方案需要不到4.5小时的时间在使用10 GB内存的同一处理器上实现完全收敛。这一较短的计算时间可以快速比较25μm(1 mil)键合线对包体在自然对流和不同速度强制对流中的热性能的影响。

数值结果与已经在该部件上进行的测量非常接近,自然对流情况下在1%以内,as shown in Table 1.

Thermal performance comparison
表1:热性能比较
复杂铜痕迹和通孔的热扩散细节(插图:显示结合线的X射线)
图4。复杂铜痕迹和通孔的热扩散细节(插图:显示结合线的X射线)

提高模拟精度是打破过去保守设计裕度的唯一途径。

Respecting these former margins would cost a lot more today than in the past due to the increased power density,so it is essential that cooling systems are made as efficient as possible,因此,需要在所有包装级别上实现模拟精度。

此外,fpbga 208内部结构的精细表示允许更好地理解PCB互连球遇到的热约束,尤其是在拐角处。Figure 3 highlights a temperature gradient of 48°C for the set of interconnect balls.

Flotherm XT将在泰雷兹的总体热设计工作流程中扮演重要角色。
图5。Flotherm XT将在泰雷兹的总体热设计工作流程中扮演重要角色。

If the modeling of the internal structure of the electronic component is crucial to accurately predict the temperature of its chip(s),电子板的层布局和铜痕迹设计对于有效优化整个结构中的热量传播方式至关重要。即使在那里,FlothermXT也可以模拟组成其复合结构的小而薄的元素。

这种新方法,由Flotherm XT提供,means that the conservative design margins of the past can be reviewed,为准确预测系统在所有包装级别的热性能铺平道路,and particularly at the component level where the highest temperature gradients are located.This will allow Thales to better integrate cooling systems,即使在旧的保守利润率是不可能的情况下。有时它有助于理解以前被误解的多物理问题。

“电子元器件的热设计受到越来越多的控制。With FloTHERM XT we can import the complete geometry of a FpBGA 208 package with all its internal details,test board,设置边界条件并在几个小时内解决。This will allow Thales to better integrate cooling systems,并理解以前被误解的多物理问题。”“

Eric Monier-Vinard,Thermal Domain Manager,Thales Corporate Engineering

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