česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 11. srpen 2022

Zvyšování hustoty integrace, 3D čipy a jejich zahřívání

26.11. 2019 | CAD/CAE/CAM - novinky
Autor: Radek Řezníček
CadenceCelsiusThermalSolverUvodni.jpg

Zkoumání proudění tepla generovaného integrovanými obvody (ať už se jedná o mikrokontrolery, FPGA nebo procesory) se stává kritickou součástí návrhu. Jelikož přehřátí, které může způsobit poruchy obvodu, hrozí stále více díky miniaturizaci elektronických systémů a šíření komponent, které generují velké množství tepla, jako např. LED diody. Tepelná analýza nejenom celé desky, ale i jednotlivých součástí je stále důležitější pro zajištění správné funkce a spolehlivosti elektroniky.

Moorův zákon a snaha dosáhnout vyšší rychlosti a výkonu na menším prostoru vede elektronický průmysl k využití 3D IC jako MCM, SiP, SoC nebo PoP. Procesory postavené pomocí těchto technik mají kratší spoje, menší ztráty a širší využitelné pásmo komunikace. Tento přístup navíc umožňuje využívat heterogenní technologie v jednom pouzdře a snižovat tak náklady na výrobu.

Stavění komponent na sebe (do třetího rozměru) ale nemá jenom výhody, z prvního odstavce plyne, že 3D IC bude mít potíže s chlazením. Blízkost tepelných zdrojů, velký tepelný odpor, dočasné a prostorově nerovnoměrné zahřívání dávají vzniknout nejen rizikům zničení teplem, ale také nebezpečí mechanického poškození. Použití chladičů a substrátů pro odvod tepla nemusí být dostačující a přicházejí ke slovu složitější koncepty jako TSV a vodou chlazené mikro kanálové chladiče.

CadenceCelsiusThermalSolver1

Mikro kanálový chladič (base plate - zákaldní deska, fin - "ploutev", plátek ohraničující kanály, coolant flow - kanál chladiva)

Bohužel výrobci součástek mnohdy nejsou zcela připraveni dodávat všechny potřebné informace a termální modely, často se omezují na údaj výkonu ve wattech. Pokud chcete detailnější informace musíte si je vymodelovat sami pomocí MCAD a termální nadstavby pro něj (např. FloEFD od Siemensu) nebo nově Celsius Thermal Solver od Cadence.

Nástroj od Cadence kombinuje FEA pro pevné části a CFD pro tekutiny (kapaliny a plyny). Spolupracuje s programovými nástroji Sigrity pro ověření signálové integrity a Voltus IC Power Integrity pro návrh a zapouzdření IC. Všechny tyto programy v současnosti spadají do portfolia Cadence pro návrh IC a DPS. Schopnost spolupráce umožňuje kombinovat návrh s elektrickou a termální analýzou, simulovat jak elektrický proud, tak tepelný tok (šíření tepla) a jejich vzájemné ovlivňování.

Včasnou simulací lze zabránit potížím v pozdější fázi vývoje, trendy jsou shodné v oblastech vývoje polovodičů, mikroprocesorů i výpočetní techniky a elektroniky obecně. Zvyšování spolehlivosti ve stále složitějších situacích vede k tomu, že řízení (a simulování) teploty se stalo běžnou praxí, zejména v průmyslových odvětvích, jako je LED osvětlení. Pouze simulací lze problém odhalit včas a eliminovat jej, ještě relativně levně ve stádiu vývoje.

Více informací v článcích Thermal Analysis for Power Devices a A new system analysis tool by Cadence nebo přímo na stránkách výrobce.

radek@cadware.cz

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik