Современная электроника №5/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2019 Особенности применения детализированных тепловых моделей для тепловых расчётов микросхем в корпусах BGA, LGA и PGA В статье рассматриваются основные способы теплового моделирования микросхем в корпусах типа BGA, LGA и PGA, описываются соответствующие им тепловые модели (CTM и DTM), сравниваются их преимущества и недостатки. Приводится подробное описание способа теплового моделирования с использованием детализированных тепловых моделей (DTM) разных типов – с усреднённым и детализированным источником тепла. Алексей Решетников (ar@ensol-ltd.ru ) , Владимир Мичурин (pro@ensol-ltd.ru) При тепловом моделировании средств современной электроники часто возникает задача построения тепловой модели и расчёта нагрева микросхем в корпусах BGA, LGA и PGA. Такие микросхемы присутствуют прак- тически в любом сложном электрон- ном изделии – это могут быть процес- соры, мосты, микросхемы маршрути- заторов, чипы оперативной памяти и т.д. Как правило, это наиболее важ- ные функциональные компоненты в устройстве, обеспечение безотказной работы которых (в том числе и пра- вильных тепловых режимов работы) критически важно для работоспособ- ности всего изделия. Такие микросхе- мы имеют достаточно сложную струк- туру, высокую мощность тепловыде- ления и высокие плотности тепловых потоков, что делает задачу их модели- рования важной и вместе с тем нетри- виальной. Успешность её решения во многом зависит от точности использу- емой тепловой модели. В настоящей статье приводится опи- сание и сравнение некоторых видов тепловых моделей BGA-микросхем с указанием их достоинств и недостат- ков. П ОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ Существует несколько методов тепло- вого моделирования микросхем, харак- теризующихся разной точностью, сложностью, применимостью в той или иной расчётной САПР и т.д. Использу- емые методы моделирования и тепло- вые модели делятся на два больших класса – детализированные тепловые модели (DTM – Detailed Thermal Model) и компактные тепловые модели (CTM – Compact Thermal Model). В модели DTM c разной степенью детализации воспроизводится реаль- ная физическая структура микросхемы. Такая модель является наиболее точ- ной, и чем детальнее воспроизводит- ся реальная структура чипа, тем точнее получается результат моделирования. Модели CTM в общем случае не тре- буют обязательной привязки к реаль- ной структуре микросхем, однако для их интеграции и использования в тепловых моделях всего изделия такая привязка бывает необходимой. CTM представляет собой идеализацию структуры микросхемы в виде цепоч- ки или сети тепловых сопротивлений. В простейшем случае она представля- ет собой двухрезисторную тепловую модель (two-resistor CTM), в более про- двинутом – сеть тепловых сопротив- лений (DELPHI CTM) [1]. Компактные модели более просты, требуют суще- ственно меньше вычислительных ресурсов, однако при этом менее точ- ны (иногда – существенно) и хорошо подходят главным образом для типо- вых сценариев использования микро- схем в электронике. DELPHI CTM моде- ли в меньшей степени подвержены обозначенным выше недостаткам и являют собой прекрасный компро- мисс простоты, удобства использова- ния и точности. В настоящей статье не рассматри- ваются особенности моделирова- ния с использованием компактных тепловых моделей, т.к. в рамках тако- го подхода у инженера-расчётчика не остаётся пространства для манёвра в настройках и модификации модели, равно как и возможностей совершить ошибку. Выбор способа моделирования, как правило, зависит не столько от жела- ния и способности инженера-расчёт- чика подобрать оптимальный способ для данного случая, сколько от доступ- ности информации о тепловых харак- теристиках микросхемы. К сожалению, не всегда эта информация доступна в необходимом объёме. Также возможны ситуации, когда производитель микро- схемы предоставляет сложнуюDELPHI CTM-модель, а в используемой на пред- приятии расчётной САПР такие модели не поддерживаются (как, например, в SolidWorks flowSimulation). В таких слу- чаях у расчётчика есть возможность повысить точность теплового моде- лирования, доступную для двухрези- сторной модели (данные для которой доступны практически всегда) постро- ением собственной DTM-модели, пусть и не самой высокой степени детализа- ции микросхемы. О некоторых особенностях использо- вания и построения DTM-моделей для BGA (а также LGA и PGA) микросхем и пойдёт речь далее, хотя стоит заметить, что аналогичный подход может быть применим и для других типов корпу- сов. Главное условие – знание струк- туры и тепловых свойств материалов микросхемы. Общая стратегия моделирования с использованием собственной DTM- модели будет следующей: ● построение двухрезисторной модели и использование полученных на ней результатов в качестве грубой оцен- ки (погрешность расчёта на двухре- зисторной модели может доходить до 30% [2]); ● дальнейшее уточнение расчёта на де- тализированной модели (DTM). Стоит отдельно заметить, что двухрези- сторнаямодель даёт усреднённое значе- ние температурыпо кристаллу – т.е. если зонынагрева распределеныпо кристаллу неравномерно, локализованына какой- то его части, двухрезисторная модель может давать заниженные значения.