- •Введение
- •1. Программа учебной дисциплины «Проектирование систем в корпусе»
- •1.2. Структура и примерное содержание учебной дисциплины
- •2. Конспект лекций Лекция № 1. Основы корпусирования
- •Лекция № 2. Методология проектирования систем в корпусе
- •Лекция № 3. Планирование системы на кристалле
- •Лекция № 4. Межкомпонентные связи
- •Лекция № 5. Способы повышения плотности компоновки
- •Лекция № 6. Прототипирование и физическая верификация
- •Лекция № 7. Теплофизическое проектирование и моделирование системы в корпусе
- •3. Методические указания по проведению лабораторных работ Лабораторная работа № 1. Корпусирование кристалла ис на примере операционного усилителя в сапр Cadence
- •Лабораторная работа № 2. Корпусирование системы в корпусе с использованием 2d размещения на примере аналогово-цифрового блока сапр Cadence
- •Лабораторная работа № 3. Корпусирование системы в корпусе с использованием 3d размещения на примере сапр Cadence
- •Лабораторная работа № 4. Моделирование перекрестных искажений в системах в корпусе
- •Лабораторная работа № 5. Теплофизический анализ систем в корпусе
- •4. Перечень рефератов по дисциплине
- •5. Методические указания преподавателям, ведущим занятия по дисциплине
- •6. Темы вебинаров
- •7. Методические указания по самостоятельной работе слушателей
- •8. Методические указания слушателям по изучению дисциплины
- •10. Цифровые образовательные ресурсы
- •11. Вопросы для самопроверки
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
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 Тос - максимальная температура окружающей среды, °С;
Rкp-оc - тепловое сопротивление между кристаллом и окружающей средой, °С/Вт;
Тк - максимальная температура корпуса;
Ткр - максимальная температура кристалла, °С;
Rкp-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.