Analisi termica di circuiti integrati

Il comportamento termico di circuiti integrati, siano essi microcontrollori, FPGA e processori, è di gran lunga fondamentale per evitare surriscaldamenti che possono provocare dei malfunzionamenti circuitali. I progettisti hanno bisogno di conoscere il comportamento termico di un IC, soprattutto in ambito di PMIC utilizzati nelle applicazioni automotive. Trovare una soluzione ottimizzata richiede una buona comprensione nel prevedere le temperature di funzionamento di componenti di potenza del sistema e come il calore generato da tali componenti  si diffonde nei dispositivi vicini, come condensatori e diodi. Inoltre, come i requisiti di affidabilità diventano sempre più severi, vi è una crescente preoccupazione circa l'effetto della variazione di temperatura sull'integrità del package. Partendo dalle leggi fisiche che governano il comportamento termico, determineremo un modello matematico per i chip. Successivamente, sulla base di questo approccio, definiremo un modello RC passivo equivalente che ci permetterà di simulare il comportamento termico transitorio di un IC.

1. Introduzione

L'analisi termica è una branca della scienza dei materiali che si occupa dello studio delle caratteristiche dei materiali in funzione della temperatura. Tutti i circuiti integrati generano calore se sottoposti ad una tensione. Pertanto, per mantenere la temperatura di giunzione del dispositivo al di sotto del massimo consentito, il flusso di calore attraverso il package deve poter essere stimato per prendere le precauzioni possibili.  La gestione termica è fondamentale durante la selezione del package per garantire l'alta affidabilità del prodotto. Una buona valutazione termica richiede una combinazione di calcoli analitici, analisi empirica e modellazione termica.  Il problema è quello di determinare se il circuito integrato in questione è affidabile alle alte temperature. Senza un particolare metodo di analisi è impossibile offrire una risposta affidabile. Nel funzionamento in DC mode, molto spesso entrano in gioco alcuni parametri quali la resistenza termica θJA e la temperatura di giunzione θJC. La resistenza termica, ovvero l’inverso della conduttanza termica, misura la differenza di temperatura con cui un oggetto o materiale resiste ad un flusso di calore. La temperatura di giunzione, invece, è un fattore importante nell’analisi termica a semiconduttore per transistor bipolari, mosfet e raddrizzatori. Attualmente il termine viene utilizzato per tutti i dispositivi di alimentazione, compresi i dispositivi IGBT. Nella modalità AC oppure nel caso di una modulazione PWM di un driver Led pilotato da un Mosfet, è necessario definire i dati termici transitori. La domanda che ci dovremmo porre è la seguente: per quanto tempo il chip può funzionare ad un determinato livello di potenza prima di incontrare problemi di natura termica? Quello che proveremo a fare nei prossimi paragrafi è derivare le equazioni termiche legate alla dissipazione di potenza, per prevedere la temperatura di giunzione di un chip in funzione del tempo. Questo metodo potrà essere utilizzato per qualsiasi chip. Sulla base delle equazioni ottenute, si definirà un modello circuitale RC equivalente che rappresenterà le caratteristiche termiche transitorie del IC facilmente simulabile con Spice. Per testare l’utilità e l’accuratezza del modello analizzeremo i risultati sperimentali per un driver LED HB ad alta luminosità della Maxim, ovvero il Driver PWM dimming MAX16828.

2. Dinamica termica

La relazione che lega temperatura in funzione del tempo è derivata da due principali leggi: la legge di raffreddamento di Newton e la legge di conservazione dell’energia non latente. La prima è esprimibile come segue: Schermata 2015-11-07 alle 18.25.34dove TB è la temperatura del corpo, TA quella di ambiente e KA una costante di proporzionalità. La seconda, invece, è data dalla seguente relazione:

Schermata 2015-11-07 alle 18.25.39dove P è la potenza applicata al corpo, m la massa e c la capacità specifica. La legge di Newton afferma che il tasso di perdita di calore di un corpo è proporzionale alla differenza di temperatura tra il corpo e l’ambiente. La legge di conservazione dell'energia, invece, afferma che l'energia non può essere creata o distrutta, ma modificata solo da una forma all'altra o trasferita da un oggetto all'altro. Combinando queste due equazioni, otteniamo la relazione che ci servirà per il prosieguo:

Schermata 2015-11-07 alle 18.28.50

Come enunciato in precedenza, la resistenza termica è il principale fattore da analizzare e che troviamo nei data sheet del IC. Il calcolo viene effettuato in relazione all’equilibrio termico, ovvero quando:

Schermata 2015-11-07 alle 18.29.35Sviluppando in funzione della potenza, otteniamo la seguente relazione:

Schermata 2015-11-07 alle 18.30.14dove

Schermata 2015-11-07 alle 18.30.17è la resistenza termica tra l'oggetto e l'ambiente.

3. Modelli termici

In questo caso conviene definire il nostro sistema affinchè possiamo applicare le varie equazioni e definire il nostro modello fisico-matematico. La figura 1 ci mostra una rappresentazione schematica del chip montato su PCB: ci sono differenti materiali, tra cui la resina epossidica, il die e il package. I modelli che andremo ad analizzare si basano sulla direzione del flusso di calore: flusso da una fonte esterna al die [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 20 gennaio 2016

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