Лекция № 7. Теплофизическое проектирование и моделирование системы в корпусе

Теплофизическое проектирование и моделирование системы в корпусе. Тепловые процессы в ИС. Проблемы отвода тепла в 2D и 3D технологии

Материалы, используемые в производстве систем в корпусе, должны подходить для рабочего диапазона температур, в котором будет работать проектируемое устройство. Для кристаллов ИС обычно работают в заданном диапазоне температур: оборудование для широкого потребления (обычно от 0 до 70 °C), промышленное оборудование (обычно от - 40 до + 85 °C) , военное оборудование (от - 55 до + 125 °C, либо от - 65 до + 150 °C).

Многие пластиковые упаковочные материалы претерпели значимые изменения, расширили характеристики ниже или выше заданных температур, которые ранее могли приводить к катастрофическим последствиям в электронных компонентах. Например, довольно хорошо известно, что многие кремниевые RTV корпуса становятся очень жёсткими при – 40 °C, и различные действия над ними при данной температуре ведут к отламыванию металлических выводов. Другой известный пример – это образование острых концов у эпоксидных смол при достижении температуры застеклевания, что приводит к различным повреждениям. Поэтому эпоксидные смолы ограничены в применении до температур застеклевания (от 90 до 180 °C в зависимости от компаунда).

Рост температуры внутри корпуса

Тепловыделение современных ИС составляет от нескольких милливатт до десятков ватт. Это тепло должно быть эффективно отведено от модулей, чтобы температура p-n переходов ИС не превышала пределов, установленных производителем (это необходимо для функционирования, надёжности приборов). Здесь имеют место два основных вопроса теплоотвода:

1) Отвод тепла от ИС к поверхности корпуса.

2) Отвод тепла от поверхности корпуса.

Внутренняя теплопроводность между ИС и поверхностью корпуса целиком и полностью зависит от выбранных материалов и проектировочных решений. Выбор высокотеплопроводных материалов очень важен. В хорошо спроектированной системе в корпусе разница температур между кристаллом ИС и корпусом в этом случае будет невелика.

Выделяемое тепло подразделяется на два вида: одномерный тепловой поток (постоянный) и тепловое рассеяние (убывающий тепловой поток). Трехмерный поток рассеиваемого тепла легко просчитывается на компьютере с учётом некоторых допущений. Одномерный тепловой поток может быть быстро оценён с помощью уравнения Фурье. Для удобства в табл. 2.2 представлены некоторые данные проектирования, а рис. 2.24 показывает теоретические подсчёты изменения температуры на ватт рассеиваемого тепла для обычных постоянных тепловых потоков (связанных с кристаллом, подложкой, корпусом, выводами, медными проводами, выводами из железоникелевого сплава и воздушными зазорами).

Таблица 2.2

Параметры межсоединений

Типовые значения
Элемент соединения	Материал	K (W/M°C)	Δχ(M)	K/Δχ (W/M°C)
Соединительная линия	Эпоксидная смола	0.3	6x10-5	5x103
Соединительная линия	Токопроводящ. эпоксидная смола	2.0	6 x 10-5	3x 104
Соединительная линия	Золото-оловянный припой	180	3 x 10-5	6x 106
Перевернутый кристалл с балочными выводами	Припой	30	1 x 10-4	3 x 105
Токопроводящий корпус	Медный сплав	30	3 x 10-3	1 x 105
Токопроводящий корпус	Сплав Fe/Ni	15	3 x 10-3	5x 103
Зазор между корпусом и платой	Воздух	0.024	3x 10-4	8x 10

Рис. 2.24. Изменение температуры в различных межсоединениях

Системы в корпусе должны проектироваться таким образом, чтобы они могли противостоять различным негативным влияниям окружающей среды, таким как периодические изменения температуры и давления, высокая влажность и загрязнения воздуха.

Колебания температуры являются результатом множества обычных ситуаций: периодические включения-выключения, облучение солнечным светом, вспышки света, высокие нагрузки и т.п.

Методика оценки потребляемой мощности и температурного режима

Потребляемая мощность SiP зависит от напряжения питания, тактовой частоты системы и сложности проекта. Приближенно оценить потребляемую мощность P можно по следующей формуле:

P=Po+∑Pклб ·Nклб ·Fклб + ∑Pбвв ·Nбвв ·Fбвв·Cбвв + ∑Pдл ·Nдл ·Fдл , (2.1)

где Р0 - статическая потребляемая мощность SiP, мВт;

Pклб - удельная потребляемая мощность одного ЛБ, мВт/МГц;

Nклб - количество КЛБ, переключающихся с частотой Fклб, МГц;

Pбвв - удельная потребляемая мощность одного БВВ, сконфигурированного как выход мВт/пФ/МГц;

Nбвв - количество выходов, нагруженных на эквивалентную емкость Cбвв, пФ и переключающихся с частотой Fбвв;

Рдл - удельная потребляемая мощность одного глобального тактового буфера и длинной линии, мВт/МГц;

Nдл - количество тактовых буферов и длинных линий, переключающихся с частотой Fдл, МГц.

Параметры динамического потребления мощности при температуре 25 °С приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Оценка динамического потребления
Элемент архитектуры	Мощность, мВт/Мгц
Ненагруженный триггер или нагруженный на триггер этого же или соседнего блока	0.10
Такой же триггер, дополнительно нагруженный на девять линий связи	0.40
Ненагруженный выходной буфер с ТТЛ уровнем	0.50
Выходной буфер с ТТЛ уровнем с нагрузкой 50 пФ	1.50
Ненагруженный выходной буфер с КМОП уровнем	0.62
Выходной буфер с КМОП уровнем с нагрузкой 50 пФ	1.87
Глобальный тактовый буфер	0.50
Длинная линия полной длины, управляемая ЛБ и нагруженная на один ЛБ	0.50

Оценка температурного режима

Рабочая температура корпуса SiP зависит от варианта исполнения: коммерческое - от 0 до 70 °С; промышленное - от - 40 до 85 °С; военное – от -55 до 125 °С. Предельная температура кристалла, при которой обеспечивается надежная работа ПЛИС, составляет 125 °С для пластмассовых корпусов и 150 °С для керамических. Однако оговоренные в документации параметры справедливы для температуры кристалла не более 85 °С. Если температура кристалла превышает эту величину, то следует учитывать температурное изменение задержек распространения сигналов по кристаллу, которое составляет 0.35 %/°С.

Определение максимальной потребляемой мощности, при которой обеспечивается нормальный тепловой режим кристалла, производится по формуле 2.2:

, (2.2)

где Т_ос - максимальная температура окружающей среды, °С;

R_кp-оc - тепловое сопротивление между кристаллом и окружающей средой, °С/Вт;

Т_к - максимальная температура корпуса;

Т_кр - максимальная температура кристалла, °С;

R_кp-к - тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, °С/Вт.

Тепловые сопротивления измерялись при температуре 22…25 °С и естественной конвекции. В случае принудительной конвекции можно использовать поправочные коэффициенты. Для пластмассовых корпусов при скорости воздуха 1.3 м/с значение умножается на 0.75; при 2.5 м/с - на 0.67; при 3.8 м/с - на 0.63.