FR2863141A1 - Severe environment temperature modelling for military electronic board applications having sub assemblies/components environment defined/thermal model developed/compared then process repeated/optimised - Google Patents
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Abstract
Description
2863141 12863141 1
PROCEDE DE MODELISATION D'UN SYSTEME COMPRENANT DES METHOD FOR MODELING A SYSTEM COMPRISING
CARTES ELECTRONIQUES COMPORTANT DES COMPOSANTS ELECTRONIC CARDS COMPRISING COMPONENTS
UNITAIRESUNIT
Le domaine de l'invention est celui des cartes électroniques utilisées dans des conditions d'environnement pouvant être sévères et notamment dans des applications militaires et pour lesquelles il est indispensable d'être en mesure d'estimer les températures d'échauffement en fonctionnement pour assurer une durée de vie des composants connue et satisfaisante. II peut s'agir par exemple d'un composant de type CDIP 16, composant unique Ceramique Dual ln Line comprenant 16 pattes monté seul sur une carte, ayant une résistance thermique jonction/ambiante de 83 C!W devant dissipée 0.6W s'il est soumis à une température ambiante sévère de +90 C et présentant une température de jonction de 140 C. The field of the invention is that of electronic cards used in environmental conditions that can be severe and in particular in military applications and for which it is essential to be able to estimate the heating temperatures in operation to ensure a known and satisfactory component life. It may be for example a component of the type CDIP 16, a unique Ceramic Dual ln Line component comprising 16 legs mounted alone on a board, having a junction / ambient thermal resistance of 83 C! W before dissipation 0.6W if is subjected to a severe ambient temperature of +90 ° C. and having a junction temperature of 140 ° C.
Actuellement pour élaborer des composants électroniques capable de tenir les contraintes thermiques imposées par la nature des applications visées tout en intégrant les fonctions électriques nécessaires, les composants électroniques peuvent être modélisés de la manière suivante: Un ensemble de N composants unitaires est défini pour être monté ou intégré à une carte type circuit imprimé, ces composants peuvent être positionnés sur ladite carte grâce à l'utilisation d'un modèle de placement de composants de type Allegro distribué par la société CADENCE par exemple, qui détermine une position possible des différents composants unitaires en fonction de contraintes électriques. Le modèle de placement de composants est généralement associé à un modèle thermique qui permet d'évaluer la faisabilité et la viabilité du composant final en fonctionnement, en fonction des échauffements obtenus au niveau de chaque composant unitaire et de la marge autorisée par rapport aux données constructeurs. Currently to develop electronic components capable of withstanding the thermal constraints imposed by the nature of the intended applications while integrating the necessary electrical functions, the electronic components can be modeled as follows: A set of N unit components is defined to be mounted or embedded in a printed circuit board, these components can be positioned on said card by using an Allegro type component placement model distributed by the CADENCE company for example, which determines a possible position of the different unitary components. function of electrical constraints. The component placement model is usually associated with a thermal model that evaluates the feasibility and viability of the final component in operation, as a function of the temperature rises obtained at the level of each component component and the margin allowed with respect to the manufacturer data. .
En cas de non validation en raison d'échauffements trop importants, il est alors nécessaire d'élaborer une autre architecture de composants unitaires en utilisant à nouveau l'outil de placement de composants combiné à l'outil de modélisations thermiques et ce de manière itérative jusqu'à l'obtention d'échauffements de composants unitaires acceptables. In case of non-validation due to overheating, it is then necessary to develop another architecture of unitary components by using again the component placement tool combined with the thermal modeling tool and it iteratively until heating of acceptable unit components is achieved.
2863141 2 Par ailleurs, les approches de modélisation thermique des contraintes appliquées aux composants électroniques restent à l'échelle d'une carte électronique et ne concernent pas aujourd'hui la problématique de l'échauffement complexe d'un système complet comprenant un ensemble de cartes électroniques. 2863141 2 Moreover, the approaches of thermal modeling of the stresses applied to the electronic components remain on the scale of an electronic card and do not concern today the problem of the complex heating of a complete system including a set of cards e.
Dans ce contexte, la présente invention propose un nouveau procédé de modélisation thermique d'un système électronique susceptible de s'échauffer dans une gamme de températures, compte tenu des conditions de fonctionnement qui lui sont appliquées, ledit système comprenant un ensemble de cartes électroniques, chacune des cartes comportant un sousensemble de composants électroniques. In this context, the present invention proposes a new method of thermal modeling of an electronic system capable of heating up in a temperature range, taking into account the operating conditions applied to it, said system comprising a set of electronic cards, each of the cards having a subset of electronic components.
Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de modélisation d'un système électronique pour une application donnée comportant un ensemble de cartes électroniques, chaque carte comportant N composants unitaires montés ou intégrés à un circuit imprimé caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: La définition d'un ensemble de cartes électroniques comprenant chacune un sous-ensemble de composants unitaires comportant des fonctions électriques montées ou intégrées à des circuits imprimés et conduisant à une puissance de dissipation thermique totale Une première définition de paramètres d'environnement entre les différentes cartes électroniques Une première détermination d'un ensemble d'opérations de modélisation thermique pour chacune des cartes électroniques, comportant une étape de détermination de paramètres de placement des composants unitaires sur chacune des cartes et conduisant à un ensemble de températures de jonction pour chacun des composants unitaires de chacune des cartes électroniques Une première comparaison desdites températures de jonction à des données dites standard Les étapes de définition, de détermination ou de comparaison étant réitérées jusqu'à l'obtention de températures de jonctions 35 inférieures à des températures données standard, en faisant 2863141 3 varier les paramètres d'environnement ou les paramètres de placement des composants unitaires au niveau des circuits imprimés. More specifically, the subject of the invention is a method of modeling an electronic system for a given application comprising a set of electronic cards, each card comprising N unitary components mounted or integrated in a printed circuit characterized in that it comprises the steps The definition of a set of electronic boards each comprising a subset of unitary components having electrical functions mounted or integrated with printed circuits and leading to a total heat dissipation power A first definition of environmental parameters between various electronic cards A first determination of a set of thermal modeling operations for each of the electronic cards, comprising a step of determining placement parameters of the unitary components on each of the cards and leading to a set of junction temperatures for each of the cards; each of the unit components of each of the electronic boards A first comparison of said junction temperatures with so-called standard data The steps of definition, determination or comparison being repeated until the junction temperatures are obtained lower than standard data temperatures by varying the environment parameters or the placement parameters of the unit components at the circuit boards.
Avantageusement les paramètres d'environnement peuvent être 5 de type débit de fluide circulant entre les différentes cartes électroniques. Advantageously, the environment parameters may be of the fluid flow type circulating between the different electronic cards.
II peut s'agir d'air ou de liquide circulant à l'intérieur d'un conduit juxtaposé aux cartes. It may be air or liquid flowing inside a conduit juxtaposed cards.
Avantageusement les opérations de modélisation thermique peuvent comprendre les étapes suivantes pour chacune des cartes o électroniques comprenant M composants unitaires montés sur ou intégrés à un circuit imprimé, comprenant: une première étape de détermination de N modèles thermiques de N composants unitaires, N étant supérieur ou égal à m, - une étape de test des N modèles thermiques des N composants montés sur un circuit imprimé donné dans un environnement donné et une étape de validation de M modèles thermiques correspondant à m composants parmi N composants par comparaison des résultats des tests avec des données constructeurs et détermination d'une marge d'utilisation desdits M composants. Advantageously, the thermal modeling operations may comprise the following steps for each of the electronic cards comprising M unitary components mounted on or integrated in a printed circuit, comprising: a first step of determining N thermal models of N unitary components, N being greater or equal to m, a step of testing the N thermal models of the N components mounted on a given printed circuit in a given environment and a step of validating M thermal models corresponding to m components among N components by comparing the results of the tests with manufacturer data and determination of a margin of use of said M components.
Avantageusement les procédés de modélisation thermique peuvent être caractérisés en ce que les composants unitaires comprenant des boîtiers unitaires et des fonctions électriques intégrées aux boîtiers, l'étape de modélisation des N composants unitaires comprend la détermination de résistances thermiques et de surfaces d'échanges thermiques à partir d'une première série de paramètres propres aux boîtiers des composants unitaires et à partir d'une seconde série de paramètres propres aux fonctions électriques. Advantageously, the thermal modeling processes can be characterized in that the unitary components comprising unitary units and electrical functions integrated into the housings, the step of modeling the N unitary components comprises the determination of thermal resistances and thermal exchange surfaces at from a first set of parameters specific to the housings of the individual components and from a second series of parameters specific to the electrical functions.
Avantageusement l'étape des tests peut comprendre la détermination des résistances thermiques d'environnement et d'interface modèle thermique/circuit imprimé à partir des N modèles thermiques et de P circuits imprimés. Advantageously, the testing step may comprise the determination of the thermal resistances of the environment and of the thermal model / printed circuit interface from the N thermal models and the P printed circuits.
2863141 4 Avantageusement l'étape de validation peut comprendre la détermination de températures de jonction entre N composants unitaires et P circuits imprimés et la comparaison desdites températures à des températures standard de fonctionnement desdits composants unitaires de manière à sélectionner M composants adaptés, parmi les N composants testés sur un circuit imprimé donné parmi les P circuits. Pour cela, le réseau de résistance est regroupé d'une manière identique à un réseau électrique, en utilisant les relations de mises en série, en parallèle, de conversion étoile/triangle pour obtenir une résistance nommée Rja correspondant à la o résistance thermique entre la jonction du composant et l'ambiante. La température de jonction peut alors être obtenue par l'addition de la température ambiante et du produit de la résistance thermique équivalente Rja par la puissance Pu du composant Selon une première variante de l'invention, l'étape de validation peut être effectuée en considérant chaque composant unitaire pris en relation avec un circuit imprimé, isolément des autres composants unitaires. Advantageously, the validation step can comprise the determination of junction temperatures between N unitary components and P printed circuits and the comparison of said temperatures with standard operating temperatures of said unitary components so as to select M suitable components, among the N components. tested on a given circuit board among the P circuits. For this, the resistor network is grouped in an identical manner to an electrical network, using the series-paralleling relations, in parallel, of star / delta conversion to obtain a resistance called Rja corresponding to the thermal resistance o junction of the component and the ambient. The junction temperature can then be obtained by adding the ambient temperature and the product of the equivalent thermal resistance Rja by the power Pu of the component. According to a first variant of the invention, the validation step can be performed by considering each unit component taken in connection with a printed circuit, in isolation from the other unitary components.
Selon une seconde variante de l'invention, l'étape de validation peut être effectuée en considérant que chaque composant unitaire en relation avec un circuit imprimé est contraint par la présence d'autres composants unitaires et que l'environnement correspondant à la surface d'échange thermique entre le composant le circuit unitaire et l'ambiante est restreinte. According to a second variant of the invention, the validation step can be performed by considering that each unit component in relation with a printed circuit is constrained by the presence of other unitary components and that the environment corresponding to the surface of Heat exchange between the component unit circuit and the ambient is restricted.
Avantageusement l'étape de validation des M composants unitaires sur un circuit imprimé donné peut être suivie d'une étape de placement des M composants unitaires combinée à une étape de modélisation thermique des N composants unitaires intégrés ou montés sur un circuit imprimé et d'une étape de validation de l'ensemble desdits M composants effectuée par la comparaison des températures de jonction entre les N composants. et un circuit imprimé donné et des températures standard de fonctionnement desdits composants. Advantageously, the step of validating the M unitary components on a given printed circuit may be followed by a step of placing the M unitary components combined with a step of thermal modeling of the N integrated components or mounted on a printed circuit and a step of validating all of said M components performed by comparing the junction temperatures between the N components. and a given printed circuit and standard operating temperatures of said components.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: 2863141 5 la figure 1 illustre un système électronique, composé d'un boîtier comprenant une carte mère Cm et un ensemble de cartes filles Cfi que le procédé de l'invention propose de modéliser. The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows and with the appended figures, in which: FIG. 1 illustrates an electronic system, composed of a housing comprising a motherboard Cm and a set of daughter cards Cfi that the method of the invention proposes to model.
Les figures 2a et 2b illustrent les topologies d'un exemple de boîtier et de modèle thermique pour un composant unitaire, utilisées dans le procédé global de modélisation, selon l'invention De manière générale, les systèmes électroniques modélisables selon le procédé de l'invention comprennent comme illustré en figure 1 un boîtier B comportant une carte mère Cm et un ensemble de X cartes filles Cfi fixées sur la carte mère. Compte tenu des conditions d'utilisation du système pour une application donnée, le boîtier peut supporter une puissance dissipée maximale déterminée, correspondant à une température d'échauffement maximale globale. FIGS. 2a and 2b illustrate the topologies of an exemplary housing and thermal model for a unitary component, used in the overall modeling process, according to the invention. In general, the electronic systems that can be modeled according to the method of the invention comprise, as illustrated in FIG. 1, a housing B comprising a motherboard Cm and a set of X daughterboards Cfi fixed on the motherboard. Given the conditions of use of the system for a given application, the housing can support a determined maximum dissipated power, corresponding to a global maximum heating temperature.
Pour optimiser la dissipation thermique des cartes électroniques, en cours de fonctionnement, on est amené à jouer sur des paramètres de type espace inter-carte ou surtout de type circulation de fluide de refroidissement. Il s'agit de manière classique d'air que l'on fait circuler à des vitesses variables, il peut également s'agir de liquide de refroidissement que l'on peut faire circuler dans la structure du boîtier. In order to optimize the thermal dissipation of the electronic cards, during operation, it is necessary to play on parameters of the inter-card space type or especially of the type of cooling fluid circulation. It is a conventional manner of air that is circulated at variable speeds, it can also be coolant that can be circulated in the housing structure.
Chacune des X cartes Cfi comprend un ensemble de Mi composants unitaires correspondant à une fonction électrique donnée imposée pour le bon fonctionnement de la carte électronique et donc de l'ensemble des cartes. Each of the X cards Cfi comprises a set of Mi unit components corresponding to a given electrical function imposed for the proper functioning of the electronic card and therefore all the cards.
Les paramètres d'environnement type débit de fluide sont préajustés en fonction de la puissance pour obtenir des différences de température entre l'entrée et la sortie égale à l'écart de température extrême prédéterminé ou imposé. The fluid flow type environment parameters are pre-adjusted according to the power to obtain temperature differences between the input and the output equal to the predetermined or imposed extreme temperature difference.
Plus précisément on détermine une série de débits de fluide dl, d2, ...dn correspondant dans l'exemple schématique de la figure 1 à des vitesses d'écoulement d'air v1, v2, v3 entre les cartes, et éventuellement V4 et V5 à l'extérieur. More precisely, a series of fluid flows d1, d2, .dn corresponding in the schematic example of FIG. 1 is determined at air flow velocities v1, v2, v3 between the cards, and possibly V4 and V5 outside.
2863141 6 Chaque vitesse d'écoulement est bordée dans un intervalle de vitesse minimum et de vitesse maximum [ Vi min; Vi maxi et la somme des débits massiques [qm] de ces vitesses étant égale à une constante. 2863141 6 Each flow velocity is bordered in a minimum velocity interval and a maximum velocity [Vi min; Vi maxi and the sum of the mass flow rates [qm] of these speeds being equal to a constant.
En parallèle on réalise Mj opérations de modèle thermique au niveau de chacune des cartes électroniques pour définir X ensembles de Mj températures de jonction des composants unitaires au niveau de chacune des cartes. In parallel, thermal model operations are performed at each of the electronic cards to define X sets of Mj junction temperatures of the unitary components at the level of each of the cards.
Chacune des XMi températures de jonction est comparée à une température standard maximale que l'on ne peut dépasser, désignée Tijextreme o avec 1 isXet 1 sjsMj Ainsi dans le cas des 4 cartes électroniques de l'exemple on définit: Tl Mj min T2Mj min T3Mj min T4Mj min T 1Mj <_ T1Mj max < T 2Mj 5 T2Mj max T 3Mj < T3Mj max T 4yMj <_ T4Mj max Les températures étant définies pour les vitesses d'écoulement VI, V2, V3, éventuellement V4 et V5, elles-mêmes comprises entre des valeurs min et des valeurs max. Each of the XMi junction temperatures is compared with a maximum standard temperature that can not be exceeded, designated Tijextreme o with 1 isXet 1 sjsMj Thus, in the case of the 4 electronic cards of the example, we define: Tl Mj min T2Mj min T3Mj T4Mj min T 1Mj <_ T1Mj max <T 2Mj 5 T2Mj max T 3Mj <T3Mj max T 4yMj <_ T4Mj max The temperatures being defined for the flow velocities VI, V2, V3, possibly V4 and V5, themselves between min and max values
Dans le cas où pour une carte on obtient une température de jonction supérieure à la valeur de température standard Tijexteme, on modifie la 1 vitesse d'écoulement en respectant la condition suivante; la somme des débits massiques [qm] doit être constante. In the case where for a card a junction temperature higher than the standard temperature value Tijexteme is obtained, the 1 flow rate is modified in accordance with the following condition; the sum of the mass flow [qm] must be constant.
Ainsi si l'on obtient une température de jonction trop élevée au niveau de la carte 1, on va chercher à augmenter le paramètre VI, aux dépends des autres vitesses d'écoulement qui devront néanmoins toujours conduire à l'obtention de températures de jonction acceptables (et donc inférieures à la température Tijextreme) sur les autres cartes. Thus, if a junction temperature that is too high at the level of the card 1 is obtained, it will be sought to increase the parameter VI, at the expense of the other flow rates, which must nevertheless always lead to obtaining acceptable junction temperatures. (and therefore lower than Tijextreme temperature) on the other cards.
Ainsi le processus est réitéré jusqu'à l'obtention de températures 30 de jonction, toutes inférieures aux valeurs Tijextreme. Thus the process is reiterated until junction temperatures are obtained, all lower than the Tijextreme values.
Dans le cas où il n'est pas possible d'obtenir l'ensemble des températures de jonction, inférieures à des limites imposées, le procédé selon l'invention prévoit de modifier le placement, la dissipation, ou le type des composants unitaires et de renouveler la modélisation thermique en redéfinissant de nouvelles températures de jonction. In the case where it is not possible to obtain all the junction temperatures, below imposed limits, the method according to the invention provides for modifying the placement, the dissipation, or the type of the unitary components and of the renew thermal modeling by redefining new junction temperatures.
2863141 7 Nous allons décrire plus en détails comment sont définies et optimisées chacune des cartes électroniques pour optimiser le processus global au niveau du système électronique tout entier: De manière générale, on procède dans un premier temps à la sélection de composants unitaires susceptibles d'être utilisés dans une carte spécifique dont on a au préalable identifié les caractéristiques en terme de contraintes de puissance et donc de tolérance en terme d'échauffement. 2863141 7 We will describe in more detail how each of the electronic boards are defined and optimized to optimize the overall process in the entire electronic system: In general, the first step is the selection of individual components that can be used in a specific card whose characteristics were first identified in terms of power constraints and therefore tolerance in terms of heating.
Typiquement pour élaborer une carte électronique, on décide d'intégrer un certain nombre de fonctions électriques, lesdites fonctions électriques étant elles-mêmes intégrées dans des boîtiers pouvant être de type céramique, plastique ou bien encore métallique. Typically to develop an electronic card, it is decided to integrate a number of electrical functions, said electrical functions being themselves integrated into housings that can be ceramic, plastic or even metal.
Pour réaliser la modélisation de chacun des boîtiers comprenant des fonctions électriques, certains paramètres sont connus et répertoriés 15 avec précision: (Base de données BI) Ces paramètres peuvent typiquement être: le nombre de pattes, Np la demi-longueur du boîtier, Lbo la demilargeur du boîtier, C l'épaisseur du boîtier, W2 le nombre de rangées de pattes, Nrp D'autres paramètres intrinsèques à la fonction électrique ou puce enterrée dans le boîtier sont définis par défaut: ( et viennent compléter la base de données BI) Ces paramètres peuvent typiquement être: la demi-longueur Lpu de la puce, la demi-longueur interne de la métallisation sous puce Lpa, la demi-largeur A, la demi-largeur interne de la métallisation sous puce B, l'épaisseur d'une première couche Cl située entre la fonction électrique et le capot du boîtier, l'épaisseur W1 de ladite couche, l'épaisseur e de la puce, les conductivités thermiques des matériaux, Kpuce, Krésine 35 boîtier nommée Kres, Kgrille, Kcolle, Kpattes, 2863141 8 la longueur Lp des pattes, la surface des pattes Sp, la distance de la puce à la grille Ct l'épaisseur ec de le colle au niveau de la puce l'épaisseur eg du lead frame du composant Les topologies du boîtier et du modèle thermique sont illustrées respectivement en figures 2a et 2b. To carry out the modeling of each of the boxes comprising electrical functions, certain parameters are known and listed with precision: (BI database) These parameters can typically be: the number of tabs, Np the half-length of the box, Lbo the enclosure width, C housing thickness, W2 number of rows of legs, Nrp Other parameters intrinsic to the electrical function or buried chip in the housing are defined by default: (and complement the BI database) These parameters can typically be: the half-length Lpu of the chip, the internal half-length of the metallization under chip Lpa, the half-width A, the half-internal width of metallization under chip B, the thickness of a first layer C1 located between the electrical function and the housing cover, the thickness W1 of said layer, the thickness e of the chip, the thermal conductivities of the materials, Kpuce, Krésine 35 b housing named Kres, Kgrille, Kcolle, Kpattes, 2863141 8 the length Lp of the legs, the surface of the legs Sp, the distance from the chip to the gate Ct the thickness ec of the glue at the chip the thickness eg of the lead frame of the component The topologies of the case and the thermal model are illustrated respectively in FIGS. 2a and 2b.
A partir de l'ensemble de ces paramètres il est possible de définir un ensemble de résistances thermiques et des surfaces d'échange thermique du modèle thermique pour chaque puce intégrée à un boîtier donné. From all these parameters it is possible to define a set of thermal resistances and thermal exchange surfaces of the thermal model for each chip integrated to a given housing.
Rpuce Résistance de la puce R uce = 1000 * e + 1000 * ec p Kpuce*4*A*Lpu Kcolle*4*A*Lpu Rb1 Résistance branche 1 sous la puce Rbl = 1000* W1 oùSpal =4*Lpa*B Kres * 1JS *Spal S- surface sous la puce Rai Résistance 1 au dessous de la puce Rat= 1000*WO où Spuce = 4*A * Lpu et WO=W2 (W1+ec+eg+e) Kres * S + *Spuce S+ surface au dessus la puce Rb2 Résistance branche 2 boîtier supérieur Rb2= 1000* (W2 W1) Kres * V(4 * C * Lbo S+) * (4 * C * Lbo 4 * Ct * Lpa) S+ surface au-dessus la puce 2863141 9 Rb3 Résistance branche 3 boîtier inférieur 1000 * W l Kres*., jS2*(4*C*Lbo 4*Ct*Lpa) S2...surface du dessous du boîtier Rcl Résistance interne 1 du boîtier Rc1=Elliptic(A,Lpu,B,Lpa,Kgrille,eg,100)+Elliptic(B, Lpa,Ct,Lpa+0.8,Kgrlle eg,100) + Elliptic(Ct,Lpa+0.8,C,Lbo,Keq,W2,a) a angle d'intégration de la fonction elliptique Calcul d'une fonction mathématique permettant de calculer la surface elliptique considérée Rpattes Résistance des pattes Rattes = Elliptic(Ct,Lpa + 0.8, C, Lbo,Keq, Weq, a) + 1000 * Lp Rpattes Kgrille*Sp*Np S- Surface du dessous de la puce S-=r*,/B2+W12 *VLpa2+W12) Si- Surface du dessus de la puce S+=7r *. JLpu2+W02 *-\%A2+ W02oùWO = W2 (W1+ec+eg+e) S2 (-) Surface du dessous du boîtier S2 = (4 * C * Lbo) (S ) S1(+) Surface du dessus du boîtier SI=(4*C*Lbo) (S+)+ (4*W2*(C+Lbo)) Rb3 = 2863141 10 Puis dans une seconde étape il est possible de définir des résistances thermiques d'environnement et d'interface modèle thermique/ circuit imprimé pour un circuit imprimé prédéterminé, tenant compte de paramètres de convection naturelle et de convection forcée. Rpuce Resistance of the chip R uce = 1000 * e + 1000 * ec p Kpuce * 4 * A * Lpu Kcolle * 4 * A * Lpu Rb1 Resistance branch 1 under the chip Rbl = 1000 * W1 whereSpal = 4 * Lpa * B Kres * 1JS * Spal S- surface under chip Rai Resistance 1 below the chip Rat = 1000 * WO where Spuce = 4 * A * Lpu and WO = W2 (W1 + ec + eg + e) Kres * S + * Spuce S + surface above chip Rb2 Resistance branch 2 upper case Rb2 = 1000 * (W2 W1) Kres * V (4 * C * Lbo S +) * (4 * C * Lbo 4 * Ct * Lpa) S + surface above the puce 2863141 9 Rb3 Resistance branch 3 lower housing 1000 * W l Kres *., jS2 * (4 * C * Lbo 4 * Ct * Lpa) S2 ... bottom surface of the housing Rcl Internal resistance 1 of the housing Rc1 = Elliptic ( A, Lpu, B, Lpa, Kgrille, eg, 100) + Elliptic (B, Lpa, Ct, Lpa + 0.8, Kgrlle eg, 100) + Elliptic (Ct, Lpa + 0.8, C, Lbo, Keq, W2, a ) An integration angle of the elliptic function Calculation of a mathematical function to calculate the elliptical surface considered Rates Resistance of the legs Rattes = Elliptic (Ct, Lpa + 0.8, C, Lbo, Keq, Weq, a) + 1000 * Lp Rpts Kgrille * Sp * Np S- Bottom area of chip S- = r *, / B2 + W12 * VLpa2 + W12) Si- Top surface of chip S + = 7r *. JLpu2 + W02 * - \% A2 + W02oùWO = W2 (W1 + ec + eg + e) S2 (-) Bottom surface of housing S2 = (4 * C * Lbo) (S) S1 (+) Top surface of housing SI = (4 * C * Lbo) (S +) + (4 * W2 * (C + Lbo)) Rb3 = 2863141 10 Then in a second step it is possible to define thermal resistances of environment and interface thermal model circuit for a predetermined printed circuit, taking into account parameters of natural convection and forced convection.
Coefficients d'échanqe thermique Convection naturelle: hboitier = 10W/m2. C & harte = 10W/m2. C Convection forcée: hboitier = 10.(2.C.10-3)-0.4 Vo. s & hcarte = 40.vo.a Report ereport = 0.55 mm 15 Rec Rec = 106 k boîtier Rco 1 Résistance de contact air sous la puce Rcol = 103 É /ereport + ecarte '2 S _ k report kz) Kreport conductivité thermique du report Kz conductivité thermique de la carte Rco 2 Résistance de contact air sous le boîtier Rco2 =103 /ereport + carte '2 S2 k report kz Reh Résistance d'échange thermique de la carte sous le composant Reh = 106 / 1 + ecarteÉ10_3 /2\ 4.C.Lbo \hcarte kz & Résistance de contact des pattes ecarte 10-3 I2 où S = 2.C. _p.10-6 2 S+ (eurte.1 O-3 /2)z 7c Heat exchange coefficients Natural convection: h = 10W / m2. C harte = 10W / m2. C Forced convection: h = 10 (2.C.10-3) -0.4 Vo. h = 40.vo.a Report ereport = 0.55 mm 15 Rec Rec = 106 k case Rco 1 Air contact resistance under the chip Rcol = 103 É / ereport + ecarte '2 S _ k report kz) Kreport thermal conductivity of report Kz thermal conductivity of the Rco board 2 Air contact resistance under the case Rco2 = 103 / ereport + board '2 S2 k report kz Reh Thermal exchange resistance of the board under the component Reh = 106/1 + spaced10_3 / 2 \ 4.C.Lbo \ hcard kz & Contact resistance of the tabs spreads 10-3 I2 where S = 2.C. _p.10-6 2 S + (eurte.1 O-3/2) z 7c
_JONCTION-BOITIER_JONCTION-BOX
Rth JC:_ [r[[(Rgtttes- + Rb2 + Rb3 l l + Rth JC: _ [r [[(Rgtttes- + Rb2 + Rb3 l l +
_JONCTION-AMBIANTE_JONCTION-ROOM
ER:= Rcl + [ (Rpa + Rp) 1 + (Rb3 + Rco2) 1 + (Rbl + Rco l) (Rbl + Rcol)ÉRc1 R Tl:= ER: = Rcl + [(Rpa + Rp) 1 + (Rb3 + Rco2) 1 + (Rb1 + Rco1) (Rb1 + Rcc) ERC1 R Tl: =
ERER
(Rpa+ Rp) 1 + (Rb3 + Rco2) 1] 1ÉRcl R T2:= (Rpa + Rp) 1 + (Rb3 + Rco2) 1] 1CLl R T2: =
ERER
R TC:= (Rbl +Rcol)É[(Rpa+Rp) 1+ (Rb3+Rco2) 1] 1 ER RP = 4. R TC: = (Rbl + Rcol) E [(Rpa + Rp) 1+ (Rb3 + Rco2) 1] 1 ER RP = 4.
S ltS lt
+Rbl 1 +Rpuoe +Ra1_ Rth_JA= I [R_Tc+ 1 ( R ca 1+Reh1) ] + (R_T2F Rce2+ Rbi 1 +R Tl+Rpuc +(Rai+Rce) 1 + Rbl 1 + Rpuoe + Ra1_Rth_JA = I [R_Tc + 1 (R ca 1 + Reh1)] + (R_T2F Rce2 + Rbi 1 + R Tl + Rpuc + (Rai + Rce) 1
_JONCTION-CARTE_JONCTION-CARD
Rth JA Xp ÉRpuce Xp ÉR_T 1 Rth JB:= (R Ti + Rpuce) ÉXp + R TCÉ Xp R T2 + Rce2 + Rb2 On en déduit alors pour chaque boîtier comprenant une puce Pj donnée correspondant à une fonction électrique donnée, montée au niveau (Rai. + Rcel) Rth JA Xp:=1 2863141 12 d'une carte sur donnée Cfi, une résistance thermique conduisant à une température d'échauffement donnée Tij. Rth JA Xp Érpuce Xp ÉR_T 1 Rth JB: = (R Ti + Rpuce) ÉXp + R TEE Xp R T2 + Rce2 + Rb2 We then deduce for each box comprising a chip Pj given corresponding to a given electrical function, mounted at level (Rai + Rcel) Rth JA Xp: = 1 2863141 12 of a card on data Cfi, a thermal resistance leading to a given heating temperature Tij.
Selon une première variante de l'invention la température Tij est définie en considérant chaque boîtier intégré isolément par rapport aux autres et pouvant donc dissiper la chaleur dans un espace non défini. According to a first variant of the invention the temperature Tij is defined by considering each integrated housing in isolation from the others and can therefore dissipate heat in an undefined space.
Pour l'ensemble de la carte comprenant M composants unitaires constitués de boîtier comprenant une fonction électrique, on définit ainsi M modèles thermiques. For the entire board comprising M unitary components consisting of a housing comprising an electrical function, M thermal models are thus defined.
Chaque température Tij est alors comparée avec une température standard de fonctionnement Tsij. Each temperature Tij is then compared with a standard operating temperature Tsij.
Si la température Tij est supérieure à la température Tsij, le processus est réitéré avec un autre boîtier comprenant la même fonction électrique, si l'optimisation de son environnement ou de la carte ou de la puissance ne permet pas d'abaisser sa température. If the temperature Tij is greater than the temperature Tsij, the process is reiterated with another housing including the same electrical function, if the optimization of its environment or the card or the power does not allow to lower its temperature.
Ainsi à partir de M modèles thermiques on est amené à sélectionner N modèles thermiques compatibles avec la carte prédéfinie. Thus from M thermal models it is necessary to select N thermal models compatible with the predefined map.
Selon une variante de l'invention chaque composant unitaire n'est plus pris complètement isolément des autres mais est considéré comme étant contraint dans un environnement fini quant à son espace pour la dissipation thermique. According to a variant of the invention each unit component is no longer taken completely isolated from the others but is considered to be constrained in a finite environment as to its space for heat dissipation.
A partir de la sélection qui est opérée précédemment on procède alors à une étape de placements des N composants unitaires en utilisant un outil standard de placement desdits composants ALLEGRO combiné à un outil de modélisation thermique de type FLOTHERM . From the selection that is made previously, a placement step of the N unit components is then performed using a standard tool for placing said ALLEGRO components in combination with a thermal modeling tool of FLOTHERM type.
Le logiciel allegro cadence est un logiciel de placement de composant, il permet de concevoir le design électrique ou routage des cartes 30 électroniques avant leur lancement en fabrication. The allegro cadence software is a component placement software, it allows to design the electrical design or routing of electronic cards 30 before their launch in manufacturing.
Le logiciel FLOTHERM développé par FLOMERICS est un logiciel de mécanique des fluides dédié à la modélisation thermique et fluidique des boîtiers et des composants électroniques Cet outil utilise de manière classique des opérations de maillage élémentaire 35 qui permettent de définir des températures d'échauffement local. Ces 2863141 13 températures sont alors comparées avec des données constructeur pour déterminer si l'architecture choisie est satisfaisante compte tenu de contraintes fixées préalablement. La tolérance en température peut en effet être une fonction du vieillissement accepté dans un type d'application donnée. Ainsi par exemple, la réduction de la température de jonction d'un composant de 150 C à 110 C augmente sa durée de vie d'un facteur 7.5 pour une énergie d'activation de 0.7eV. The FLOTHERM software developed by FLOMERICS is a fluid mechanics software dedicated to the thermal and fluidic modeling of housings and electronic components. This tool conventionally uses elementary mesh operations which make it possible to define local heating temperatures. These temperatures are then compared with manufacturer data to determine whether the chosen architecture is satisfactory given previously determined constraints. The temperature tolerance can indeed be a function of aging accepted in a given type of application. For example, reducing the junction temperature of a component from 150 C to 110 C increases its lifetime by a factor 7.5 for an activation energy of 0.7eV.
Avantageusement, la base de données BI peut être mise sous un o format neutre et rendue compatible des outils de simulation utilisés tout au long du processus les informations sont structurées dans le fichier XML (fichier de base de données) à des endroits bien précis nommés champs . Lorsqu'on exporte les données vers un logiciel sous un format neutre template on fait correspondre alors ces champs de manière à organiser les données pour qu'elles soient compatibles de la lecture. L'opération peut être faite quel que soit le logiciel en adaptant le modèle des données à sa lecture. Advantageously, the BI database can be put in a neutral format and made compatible with the simulation tools used throughout the process. The information is structured in the XML file (database file) at specific locations called fields. . When exporting the data to a software in a neutral template format, these fields are then mapped so that the data is organized so that they are compatible with the reading. The operation can be done regardless of the software by adapting the data model to its reading.
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Title |
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PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 10 31 August 1999 (1999-08-31) * |
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