Brevet FR2670597A1 — publié le 19920619

PROCEDE ET SYSTEME DE MOI)E:[ISATION TESQUE D'UN COMPOSANT L'invention concerne un procédé de modélisation thermique d'un composant et un système mettant en application ce procédé. Elle est applicable notamment à la modélisation thermique de composants électroniques réalisés en circuits intégrés. Plus particulièrement l'invention permet d'obtenir de manière économique et fiable, le modèle thermique d'un composant électronique à semi-conducteur ou seulement du boîtier contenant ou non son élément actif à semi-conducteur. L'étude d'un sous-ensemble électronique appelé "carte électronique", tel que représenté en figure 1, comprenant un substrat isolant S et permettant l'interconnexion entre un nombre variable de composants en boîtiers C, comprend généralement un phase d'étude thermique permettant de s'assurer du bon fonctionnement de cette carte dans les conditions spécifiées d'usage de la dite carte électronique. Cette phase d'étude est, pour des raisons d'efficacité technique et économique conduite par voie de simulation numérique de préférence à l'expérimentation. Selon la technique actuelle, on dispose pour chaque composant de la valeur de dissipation thermique ou d'une seule valeur de résistance thermique. On considère par ailleurs un composant comme étant pratiquement une source ponctuelle de chaleur. Or, dans la réalité la chaleur dissipée par un composant tel qu'un circuit intégré se propage par toutes les parties du composant en contact avec le milieu extérieur (différentes faces du composant, pattes de connexion fixation du composant à la carte de circuit imprimé, etc ...). De plus, un modèle ne présentant qu'une seule résistance thermique ne tient pas compte des différentes conditions ambiantes ni de la constitution des cartes. Ce modèle thermique devrait donc être en réalité un réseau de courbes. La simulation de l'implantation de composants sur une carte ne prend donc pas en compte tous les paramètres que l'on devrait prendre. 1l n'est pourtant pas possible de prendre en compte tous les paramètres en raison de la complexité de la diffusion thermique dans un composant. L'invention fournit donc une solution prenant en compte la constitution du composant tant en ce qui concerne les dimensions des différentes parties du composant que les compositions des matériaux de ces différentes parties. L'invention est donc basée sur la réalité matérielle du composant et sur son comportement physique. L'invention concerne donc un procédé de modélisation thermique d'un composant comportant une source de chaleur et possédant des caractéristiques techniques déterminées (dimensions et nature des matériaux), caractérisé en ce qutil comporte les étapes suivantes - identification de différents trajets thermiques conduisant la chaleur vers des éléments extérieurs du boîtier de composant en fonction du type du boîtier, chaque trajet comportant au moins une résistance thermique - détermination de chaque résistance thermique en fonction des caractéristiques techniques du boîtier. L'invention concerne également un système de modélisation thermique d'un composant possédant des caractéristiques, dimensions et nature de matériaux déterminés, caractérisé en ce outil comporte - des moyens pour identifier différents trajets thermiques conduisant vers l'extérieur du boîtier du composant en fonction du type du boîtier chaque trajet comportant des impédances - des moyens pour déterminer la résistance thermique de chaque trajet thermique en fonction de caractéristiques techniques déterminées. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent - la figure 1, un exemple de carte électronique connue dans la technique - la figure 2, un exemple de réalisation d'un réseau thermique selon l'invention; - la figure 3, une généralisation d'un réseau thermique selon l'invention;; - la figure 4, des lignes de flux thermique selon l'épaisseur d'un boîtier de composant - la figure 5, des lignes de flux thermique parallèlement aux faces principales d'un boîtier de composant - la figure 6, un exemple de réalisation dérivé de l'exemple général de la figure 3 - les figures 7 et 8, des exemples de détermination de conductances thermiques avec des isothermes elliptiques - la figure 9, un exemple de réalisation d'un système mettant en oeuvre l'invention. Selon l'invention on prévoit de réaliser un modèle thermique d'un composant illustrant autant que possible son comportement thermique. Un boîtier de composant peut contenir ou non un circuit électronique. L'invention est applicable aux deux types de configurations. Dans ce qui suivra on considérera un boîtier sans différencier les deux types de configurations. Pour cela on établit un réseau thermique qu'on a représenté sur la figure 2 sous la forme d'un réseau analogue électrique comprenant des résistances reliant la source de puissance dissipée Pu, que constitue le circuit électronique intégré, à la carte électronique C et à l'ambiance extérieure l'entourant. Ce réseau représente donc des chemins thermiques dans le boîtier B conduisant vers des parties extérieures du boîtier B. Pour un type de boîtier donné ce réseau thermique tient compte des différentes dimensions du boîtier et de la nature des matériaux qui le constituent, c'est-à-dire de la conductivité thermique en différents points du boîtier. L'établissement de ce réseau thermique est donc spécifique au type de boîtier et incorpore des simplifications découlant du type de boîtier. De façon générale, un réseau thermique d'un composant selon l'invention est tel que représenté en figure 3. Le point P1 est la face dissipante du circuit intégré et le point P2 est la face arrière du circuit (opposée à la face dissipante). Généralement la face arrière (P2) est collée ou brasée au boîtier. De façon générale, le point P1 est considéré comme étant relié au point P2 par une résistance Z1. Le point Pi est relié à la face supérieure du boîtier, sur une certaine surface d'interface Al, par une impédance Z2. Le point P2 est relié à une zone d'interface A2 de la face supérieure du boîtier par une résistance Z3 et à une zone d'interface CI1 de la face inférieure du boîtier côté carte de circuits imprimés par une résistance Z5. Généralement, on peut considérer un point d'échange thermique P3 relié à P2 par une résistance Z7. Le point P3 est relié à une zone d'interface A3 de la face supérieure et de la périphérie du boîtier par une résistance Z4. I1 est relié également, par une résistance Z6, à une zone d'interface CI2 de la face inférieure du boîtier et par une impédance Z8 aux pattes CI3 de connexion du boîtier à la plaque de circuits imprimés. Selon le type du boîtier certaines résistances du réseau de la figure 3 n'existent pas ou sont de très grande valeur. Pour permettre d'appliquer à tous les composants le réseau de la figure 3 on a associé, de façon symbolique, un contact à certaines résistances. Selon le type de boîtier, on élimine du réseau une ou plusieurs résistances en considérant que le contact, associé à une résistance qui ne doit pas exister, est ouvert. Par exemple, les résistances Z2 et Z3 sont connectées aux zones d'interfaces Al et A2 par des contacts K2 et K3 qui sont ouverts si le boîtier est en céramique et qui sont fermés si le boîtier est en plastique. Les contacts K5 et K6 qui connectent les résistances Z5 et Z6 à la zone d'interface CI1 est fermé par exemple, si le boîtier est collé à la carte de circuits imprimés. La figure 6 représente à titre d'exemple le réseau thermique d'un composant dont le boîtier est en céramique et qui est collé sur la carte de circuits imprimés. Sur ce réseau, les résistances Z2, Z3 et Z6 n'existent pas et le contact K5 est ferme. Les différentes résistances thermiques du réseau de la figure 3 sont déterminées à partir des caractéristiques physiques du composant qui sont représentées par des dimensions du composant et des conductivités thermiques correspondant aux natures des matériaux constituant le composant. Une résistance peut représenter, à l'intérieur du boîtier, soit une propagation de la chaleur dans le sens de l'épaisseur du boîtier (perpendiculairement aux plus grandes faces du boîtier) ou une propagation dans le plan du boîtier (parallèlement aux grandes faces du boîtier). Ces deux types de résistances peuvent être considérées comme étant constituées d'au moins une résistance de pénétration et une résistance de conduction. Les figures 4 et 5 illustrent de manière simplifiée la signification physique de ces résistances. La figure 4 illustre une résistance correspondant à une propagation de la chaleur dans le sens de l'épaisseur du boîtier. Le boîtier B comporte une face supérieur As et une face inférieure Ai. La source de chaleur Pu du composant (circuit électronique) est située dans le boîtier B entre les faces As et Ai. Une dissipation de la chaleur de la source de chaleur Pu vers la face supérieure est représentée par des lignes de flux. Cette dissipation se fait dans la zone Yi de manière rayonnante : la chaleur issue de la source P pénètre dans le boîtier. Elle se fait dans la zone Y2 de manière diffusante: la chaleur se dirige de la façon la plus directe thermiquement vers la face As. La figure 5 illustre une dissipation de la chaleur vers une partie latérale du boîtier. Dans une zone Y3, la chaleur issue de la source Pu pénètre et rayonne dans le corps du boîtier. Dans une zone Y4 la chaleur est conduite par le chemin thermique le plus court vers des parties latérales de dissipation du boîtier. A chaque zone Y1, Y2, Y3, Y4 correspond une résistance élémentaire RI, R2, R3, R4. Pour déterminer ces résistances élémentaires on prévoit des hypothèses simplificatrices. En effet, un boîtier étant généralement de forme parallélépipédique avec les plus grandes faces de formes rectangulaires ou carrées, il est très difficile de calculer la propagation thermique. Pour remédier à cela, on a considéré que les isothermes dans de tels boîtiers sont de forme elliptiques ou circulaires. Par exemple en considérant des isothermes circulaires, la valeur des résistances élémentaires R1 à R4 sera donnée Dar les formules suivantes. R3 = 1/4 n kW + (1-e-U,3W/A / s kA R4 = (Log B/A)/2 1T kW Dans ces relations, les différents paramètres ont les significations suivantes en liaison avec les figures 4 et 5 W = épaisseur du boîtier WO = longueur de la résistance de pénétration selon l'épaisseur du boîtier k = coefficient de conduction thermique A = longueur de pénétration thermique selon le plan du boîtier B = longueur de pénétration et de conduction selon le plan du boîtier B1 = rayon de la section du flux de conduction selon l'épaisseur du boîtier; Comme on peut donc le voir ces différentes relations font intervenir des paramètres physiques du composant incluant les principales dimensions du composant et des caractéristiques liées à la nature des matériaux. Dans le cas des boîtiers rectangulaires, les isothermes sont considérées elliptiques. Le calcul de la résistance thermiques de propagation entre deux isothermes fait appel à une intégration angulaire. Sur la figure 7, le flux de chaleur va d'une isotherme elliptique Ei repérée par le couple de dimensions (ai, B1) vers une isotherme E2 (a2, b2). Les ellipses ne sont pas forcément homothétiques, mais sont de même centre géométrique. Le matériau est supposé homogène et de conductivité thermique k dans la zone de propagation. Comme cela est représenté sur la figure 8, on considère un volume de matériau d'épaisseur h entre les deux isothermes et compris entre 0 et # e 6 (3 . -La longueur L de ce volume vaut L = L2 - L1 que l'on peut calculer en connaissant l'angle exprimé en radians et les valeurs de al, a2, bl et b2 Li = 1 / cos2 0/ai2 + sin2 O/b12 L2 = 1 / cos2 O/a22 + sin2 G/b22 1l est donc possible de calculer la conductance dG de ce volume si on considère que, microscopiquement, les ellipses sont des portions de cercles. L1 et L2 sont donc les rayons des cercles passant par (xl, yi) et x2, y2) et tels que, localement, le rayon de courbure du cercle soit égal à celui de ltellipse. Dans l'élément de volume connu, le phénomène s'assimile localement à de la propagation dans une tranche de cylindre, ce qui permet de calculer dG. dG = khd (3/Log L2/Li On peut obtenir la conductance totale du volume entre ellipses en intégrant dG entre 0 et 21f. On obtient ainsi la valeur de la conductance thermique Cette intégrale n'a pas de solution analytique directe, il faut donc utiliser une méthode de calcul numérique de G. Le pas angulaire va donc être discrétisé pour permettre le calcul. Dans la pratique et pour le cas de dimensions de l'ordre de la taille des composants, on choisit un pas de 8.72 i0 4 radians (0.05 degrés) ce qui met en parallèle 1800 volumes élémentaires de calcul. De plus, dans le cas pratique, on décompose le chemin thermique qui va d'une isotherme elliptique à une autre en introduisant des isothermes elliptiques entre les deux frontières (en pratique 4). Celles-ci sont réparties géométriquement entre les deux limites. On obtient des conductances entre les isothermes, que l'on convertit en résistances afin d'avoir la résistance thermique totale R = 1/G1 +1+G2 + l/G3 + i/G4 + 1/G5 G(i) étant la conductance entre les isothermes i et i+l En résumé pour déterminer le modèle thermique d'un composant il convient de déterminer le type auquel il appartient. Les différents composants (boîtiers) qui existent sont classés par type de telle façon qu a chaque type puisse correspondre un réseau thermique d'une configuration donnée. Pour le réseau thermique notamment avec des isothermes circulaires, on associe à chaque résistance du réseau une ou plusieurs résistances élémentaires R1 à R4. Par exemple, sur le réseau de la figure 3, pour un type donné, la résistance Zi pourra être composée d'une résistance élémentaire de pénétration Ri et d'une résistance élémentaire de conduction R2. On détermine ainsi autant de réseaux qu'il y a de types de boîtiers. On estime actuellement que tous les boîtiers qui existent peuvent être classés dans une douzaine voire une quinzaine de réseaux thermiques ainsi constitués. Les boîtiers couramment utilisés peuvent se différencier notamment par les matériaux les formes le nombre de sorties électriques etc ... Ils peuvent être classés en TYPES la liste ci-dessous n'étant pas exhaustive. a) Boîtiers céramiques DIL (Dual in Line) PGA (Pin Grid Area) LDCC (leaded ceramic Chip carrier) LCCC (leadless ceramic chip carrier) b) Boîtiers plastiques DIL (Dual in line) SO (Small out line) VSOP (Very Small outline Package) PLCC (Plastic Chip Carrier) A chaque type correspond un grand nombre de boîtier et à chaque boîtier correspond beaucoup de composants. De plus, dans ces deux types de boîtiers, la grille de connexion peut être en alliage cuivreux ou en alliage ferro-nickel (KOVAR par exemple). Ces grilles diffèrent de façon importante par les conductivités thermiques. Le procédé d'acquisition des modèles thermiques tel qu'il vient d'être décrit présente l'intérêt de pouvoir être appliqué par du personnel peu qualifié, le coût global d'utilisation est très réduit. 1l utilise exclusivement - des données géométriques du boîtier - les valeurs de conductivités thermiques des matériaux Le procédé offre en outre la possibilité de générer et d'utiliser des valeurs par défaut lorsque des valeurs réelles ne sont pas accessibles. Ce procédé a été rendu possible par le choix d'hypothèses de simplifications acceptables concernant le type de relations des isothermes. Notamment l'étude préalable a montré que celles-ci sont assimilables à des ellipses dans le cas général des boîtiers de forme rectangulaire, à des cercles dans le cas particulier des boîtiers de forme carrée. Ayant déterminé le type de composant, on a ainsi déterminé un réseau thermique comportant un certain nombre de résistances chacune constituée d'une ou plusieurs résistances élémentaires R1 à R4 dont on détermine les valeurs. Les différentes résistances thermiques du réseau thermique de la figure 3 aboutissent sur une zone d'interface du composant avec le milieu extérieur au composant. On a ainsi des zones d'interfaces avec le milieu ambiant. Le composant étant monté sur un support tel qu'une carte de circuits imprimés, on a également des zones d'interface avec le support (carte de circuits imprimés). Au réseau thermique sont donc associées des zones d'interfaces. Les zones d'interfaces dépendent du type de composant. Elles sont caractérisées par leurs surfaces ; chaque zone d'interface étant une zone d'échange de chaleur entre le composant et le milieu avec lequel il est en contact. La détermination de chaque zone d'interface est liée au type de composant et son calcul se fait à l'aide de caractéristiques géométriques du composant. La figure 9 représente un exemple de réalisation d'un système appliquant le procédé de l'invention. Ce système comporte - un dispositif de reconnaissance (9) du type de boîtier qui s'assure que ce type boîtier peut être traité par le système et qui dans l'affirmative fournit une information de type sur une sortie TY. - un dispositif de réception (2) et de contrôle de cohérence des caractéristiques techniques du boîtier et de génération des valeurs par défaut. Ce défaut possède des entrées CAR sur lesquels il reçoit ls caractéristiques techniques d'un composant pour lequel on doit établir un modèle thermique. I1 est par ailleurs connecté à la sortie TY. Il contrôle que les caractéristiques qu'il reçoit sont cohérentes entre elles et cohérentes avec le type de boîtier. Il fournit sur une sorte CT les caractéristiques du composant et le type de boîtier. - un dispositif de détermination de résistances 3 connecté à la sortie et calculant, en fonction des informations transmises sur CT, un nombre déterminé de résistances thermiques. - un dispositif 4 de détermination de zones d'interfaces et de calcul de la surface de ces zones en fonction des informations transmises sur la sortie CT - un dispositif d'assemblage 5 connecté aux dispositifs 3 et 4, recevant de ceux-ci des valeurs de résistances et des valeurs de surfaces et fournissant un réseau de résistances conduisant vers des éléments extérieurs du boîtier (zones d'interfaces) avec, associé à ce réseau, des valeurs d'impédances et des valeurs de surfaces de zones d'interfaces. - un dispositif d'exploitation 6 recevant le résultat d'assemblage du dispositif 5 et mettant en oeuvre ce résultat. Ce dispositif d'exploitation 6 peut être un dispositif d'affichage permettant de visualiser le modèle thermique d'un composant avec ses différentes résistances et ses zones d'interfaces et peut être incorporé à un système d'implantation sur carte. Ce dispositif 6 peut être lui-même le système d'implantation de composants sur cartes de circuit5 imprimés. Un tel système sera donc à même de prendre en compte chaque composant avec ses différentes zones d'interfaces et ses résistances reliant le circuit électronique du composant aux différentes zones d'interfaces. Ce système d'implantation implantera donc les composants avec une connaissance plus complète de chacun d'eux. 1l est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple et que d'autres variantes peuvent être envisagées. Notamment, les formules de détermination des impédances peuvent prendre en compte d'autres paramètres que ceux indiqués. De plus, il a été mentionné dans ce qui précède que l'invention est applicable à la réalisation de modèles thermiques de composants électroniques. Cependant, elle pourrait être applicable à tout autre type de composants. REVENDICATIONS 1. Procédé de modélisation thermique d'un composant comportant une source de chaleur et possédant les caractéristiques techniques déterminées (dimensions et matière des matériaux), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - identification de différents trajets thermiques conduisant vers des éléments extérieurs du boîtier de composant en fonction du type de boîtier, chaque trajet comportant au moins une résistance thermique - détermination de chaque résistance thermique en fonction des caractéristiques techniques du boîtier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque trajet thermique aboutit sur un élément d'interface extérieur du boîtier du composant, une étape supplémentaire consistant à déterminer la surface de chacun de ces éléments extérieurs. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination d'une résistance thermique se fait par détermination d'une première résistance thermique de diffusion dans le sens de l'épaisseur du boîtier du composant (impédance directe) et une deuxième résistance thermique de diffusion parallèlement au plan du composant (impédance rayonnante). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque résistance thermique de diffusion peut être constituée d'une résistance élémentaire de pénétration (R1, R3) et d'une résistance élémentaire de conduction (R2, R4). 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on assemble les valeurs de résistances et les valeurs de surface pour connaître les trajets thermiques reliant le circuit émetteur de chaleur aux éléments extérieurs. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu on visualise le résultat. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le modèle thermique du composant est mis en oeuvre dans un procédé d'implantation de circuits intégrés sur une carte de circuits imprimés. 8. Système de modélisation thermique d'un composant possédant des caractéristiques (dimensions et nature de matériaux déterminées), caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens pour identifier différents trajets thermiques conduisant vers l'extérieur du boîtier du composant chaque trajet comportant des résistances en fonction du type de boîtier - des moyens pour déterminer la résistance thermique de chaque trajet thermique en fonction de caractéristiques techniques déterminées. 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détermination de résistances thermiques comportent au moins un premier moyen de détermination de résistances de diffusion dans le sens de l'épaisseur du boîtier thermique et au moins un deuxième moyen de détermination de résistance de diffusion thermique selon le plan du boîtier. 10. Système selon la revendication 2, caractérisé ce que le moyen de détermination de résistances thermiques dans le sens de l'épaisseur du boîtier et le moyen de détermination de résistances thermiques parallèlement au plan du boîtier comportent chacun un moyen de détermination de résistance de pénétration et un moyen de détermination de résistance de conduction thermique. 11. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détermination de résistances thermiques interprètent un composant de forme parallélépipédique en un composant de forme elliptique. 12. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détermination de résistances fonctionnent sur la base des formules suivantes a) moyen de détermination de résistances de conduction thermique selon l'épaisseur du boîtier - résistance de pénétration - résistance de conduction R2 = (W-W0)/k 1[ B12 b) moyen de détermination de résistances de conduction thermique parallèlement au plan du boîtier - résistance de pénétration R3 = 1/4 8 kW + (l-e~03 W/A)/#kA - résistance de conduction R4 = (LogB/A)/ 2 n kW dans ces formules, les différents paramètres B1 et B2 ayant les significations suivantes W : l'épaisseur du composant WO : l'épaisseur du composant selon laquelle se fait la pénétration A : la dimension de la surface inductrice de chaleur k : une caractéristique thermique du matérieu (conductivité) B1: la dimension de la surface dissipante B : longueur de pénétration et de conduction selon le plan du boîtier.