Modellierung thermischer Schnittstellen bei High-Power-IC

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In situ Messungen zur Kalibrierung hochpräziser Modelle

Für präzise lokale Messungen ist der Hardwaretester T3Ster geeignet. Er vermisst IC-Packages in einer für die tatsächlichen Arbeitsbedingungen charakteristischen Betriebsumgebung. Der Tester kann eine plötzliche Änderung in der Stromversorgung des ICs auslösen und die daraus resultierende Die-Temperatur messen. Entwickler verwenden T3Ster während der Design- und Produktentwicklungsphase, um die thermische Reaktion des Gehäuses präzise zu erfassen.

Die thermische Reaktion lässt sich in numerische Berechnungsalgorithmen umwandeln, die die Wärmewiderstände und -kapazitäten im Wärmeflusspfad von der Sperrschicht zur Umgebung zeigen. Mit Widerständen und Kapazitäten, die aus den kumulierten Algorithmen abgeleitet werden, lassen sich R-C-Ketten als Ersatzschaltbilder des Gehäuses aufbauen. Alternativ kann, wie unten beschrieben, die Kurve selbst zur Kalibrierung eines detaillierten dreidimensionalen Wärmeleitungsmodells des Package verwendet werden.

Schritt 1: Zunächst muss man ein numerisches 3-D-Modell der Lösung und der Transienten erstellen, das auf verschiedenen Annahmen beruht und dessen Genauigkeit sehr von der Erfahrung des Ingenieurs abhängt. Ein thermisches Simulationswerkzeug wie FloTHERM PACK ist geeignet, um detaillierte Modelle des Bauteils zu erstellen. Dann erfolgt die manuelle Definition der restlichen Parameter wie Cold Plate und TIM in der CFD-Simulationssoftware FloTHERM.

Schritt 2: Durch eine transiente Power-On-Simulation in FloTHERM, welche den physikalischen T3Ster-Versuch widerspiegelt, wird das resultierende Sperrschichttemperatur-Zeit-Diagramm vorhergesagt.

Schritt 3: Das Sperrschichttemperatur-Zeit-Diagramms wird in die T3Ster-Software importiert. Aus diesen Werten werden die numerischen Berechnungsalgorithmen abgeleitet. Diese liefern alle Wärmewiderstände und thermische Kapazitäten, die der thermische Fluss von der Sperrschicht (Silizium-Die) zur Umgebung (fixe Temperatur der Cold Plate) durchläuft.

Schritt 4: In Schritt 4 werden die Werte des numerischen Berechnungsalgorithmus mit dem experimentellen (tatsächlichen) Äquivalent durch die T3Ster-Software verglichen. Ist das detaillierte Modell hinreichend genau, stimmen die Algorithmen überein. Abweichungen weisen auf Regionen hin, bei denen das numerische Modell ungenau ist und in welchem Umfang.

Schritt 5: Wenn die Strukturen voneinander abweichen, muss der Ort der ersten Abweichung (zum Beispiel nahe dem Ursprung des Diagramms) festgestellt und dieses geometrische Element im Simulationsmodell identifiziert werden.

Schritt 6: Das Simulationsmodell muss nun, wie durch die Abweichung zwischen den Algorithmen für das Simulationsmodell und dem tatsächlichen Bauteil angezeigt, angepasst werden.

Die Kalibrierung umfasst die iterative Anpassungen des numerischen Modells, Wiederholung der Transienten-Simulation und den erneuten Vergleich der Berechnungsalgorithmen. Diese Schritte 2 bis 6 werden solange wiederholt, bis die Algorithmen übereinstimmen.

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