Brevet FR2863141A1 — publié le 20050603

PROCEDE DE MODELISATION D'UN SYSTEME COMPRENANT DES CARTES ELECTRONIQUES COMPORTANT DES COMPOSANTS UNITAIRES 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. 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. 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. 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. 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. 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. Avantageusement les paramètres d'environnement peuvent être 5 de type débit de fluide circulant entre les différentes cartes électroniques. II peut s'agir d'air ou de liquide circulant à l'intérieur d'un conduit juxtaposé aux cartes. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 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. 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. Ainsi le processus est réitéré jusqu'à l'obtention de températures 30 de jonction, toutes inférieures aux valeurs Tijextreme. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 _JONCTION-BOITIER Rth JC:_ [r[[(Rgtttes- + Rb2 + Rb3 l l + _JONCTION-AMBIANTE ER:= Rcl + [ (Rpa + Rp) 1 + (Rb3 + Rco2) 1 + (Rbl + Rco l) (Rbl + Rcol)ÉRc1 R Tl:= ER (Rpa+ Rp) 1 + (Rb3 + Rco2) 1] 1ÉRcl R T2:= ER R TC:= (Rbl +Rcol)É[(Rpa+Rp) 1+ (Rb3+Rco2) 1] 1 ER RP = 4. S 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 _JONCTION-CARTE 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. 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. Pour l'ensemble de la carte comprenant M composants unitaires constitués de boîtier comprenant une fonction électrique, on définit ainsi M modèles thermiques. Chaque température Tij est alors comparée avec une température standard de fonctionnement 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. Ainsi à partir de M modèles thermiques on est amené à sélectionner N modèles thermiques compatibles avec la carte prédéfinie. 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. 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 . 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. 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. 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. 14 REVENDICATIONS 1. Procédé de modélisation thermique d'un système électronique comportant un ensemble de cartes électroniques, chaque carte électronique 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 (Cfi) comprenant chacune un sous- ensemble de composants unitaires comportant des fonctions électriques conduisant à une puissance de dissipation thermique totale Une première définition de paramètres d'environnement entre les différentes cartes électroniques (v1, v2, v3) - Une première détermination d'un ensemble d'opérations de modélisation thermique pour chacune des cartes électroniques, 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 standard Les étapes de définition, de détermination ou de comparaison étant réitérées jusqu'à l'obtention de températures de jonctions inférieures à des températures données standard, en faisant varier les paramètres d'environnement ou les paramètres de placement des composants unitaires sur les circuits imprimés. 2. Procédé de modélisation thermique selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que les paramètres d'environnement sont de type débit de fluide circulant entre les différentes cartes électroniques. 3. Procédé de modélisation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est de l'air ou un liquide circulant à l'intérieur 30 d'un conduit juxtaposé aux cartes électroniques. 4. Procédé de modélisation thermique selon l'une des revendications 1 à 3, chaque carte électronique comprenant M composants 2863141 15 unitaires montés sur ou intégrés à un circuit imprimé et comprenant une étape de placement électrique des M composants unitaires combinée à une étape de modélisation thermique de l'ensemble des M composants unitaires montés sur ou intégrés à un circuit imprimé et caractérisé en ce qu'il comprend: une première étape de détermination de N modèles thermiques de N composants unitaires, - une seconde étape de test des N modèles thermiques des N composants montés sur un ou P circuits circuit imprimé donné dans un 10 environnement donné et - une troisième étape de validation de M modèles thermiques correspondant à m composants parmi les N composants par comparaison des résultats des tests avec des données constructeurs et détermination d'une marge d'utilisation desdits N composants. 5. Procédé de modélisation thermique selon la revendication 4, caractérisé 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 des 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. 6. Procédé de modélisation thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape des tests comprend la détermination des résistances thermiques d'environnement et d'interface modèle thermique/circuit imprimé à partir des M modèles thermiques et de P circuits imprimés. 7. Procédé de modélisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape de validation comprend la détermination de températures de jonction entre N composants unitaires et P circuits et la comparaison desdites températures à des températures standard de fonctionnement desdits composants unitaires de manière à sélectionner M composants 2863141 16 adaptés, parmi les N composants testés sur un circuit imprimé donné parmi les P circuits. 8. Procédé de modélisation thermique d'une carte électronique selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'étape de validation est effectuée en considérant chaque composant unitaire pris en relation avec un circuit imprimé, isolément des autres composants unitaires. 9. Procédé de modélisation thermique d'une carte électronique selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'étape de validation est effectuée en considérant chaque composant unitaire en relation avec un circuit imprimé, et contraint dans un environnement correspondant à la surface d'échange thermique entre le composant et le circuit unitaire associé et restreint par les environnements des autres composants unitaires. 10. Procédé de modélisation thermique d'une carte électronique selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'étape de test comprend en outre la prise en compte de paramètres de mécanique des fluides tel que des vitesses de circulation d'air à proximité des composants unitaires. 11. Procédé de modélisation thermique d'une carte électronique selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que l'étape de validation des M composants unitaires sur un circuit imprimé donné est suivie d'une étape de placement des M composants unitaires combinée à une étape de modélisation thermique des M 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 M composants et un circuit imprimé donné et des températures standard de fonctionnement desdits composants.