Les assemblages 3D

Les assemblages 3D
Proposition de méthode de
dimensionnement thermique rapide
O. PUIG
DTS/AQ/QCP/TP
Les assemblages 3D
Concept 3D obtenu en empilant
verticalement les composants sur
plusieurs niveaux
Possibilité d’intégration mixte de puces
nues, microcomposants passifs,boîtiers
plastiques (ex:TSOP)
Gains importants en densité
d’intégration pour différents types
d’équipements
Technologie en cours de qualification
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Les assemblages 3D
Exemples
Convertisseur CMS
avant assemblage 3D
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Pourquoi la thermique?
• Intégration poussée (densité de puissance volumique multipliée
par 5 à 10 par rapport à des technologies conventionnelles)
• Matériau d'encapsulation mauvais conducteur thermique
• La température: donnée d'entrée à la fiabilité des composants
• Les gradients thermiques: données d'entrée à la longévité des
assemblages (Propriétés des matériaux, contraintes thermomécaniques, …) en particulier en cas de cyclage ON-OFF.
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Pourquoi rapide?
•
La simulation thermique classique d'un cube 3D "réel" par éléments
finis peut s'avérer très longue, voir impossible (plus de 100 composants
de toutes tailles répartis de manière quasiment aléatoire dans l'espace)
•
la température de chaque composant doit être connue pour le calcul de
fiabilité, et de manière plus générale pour dimensionner le cube
(placement des composants, dissipateurs, etc…). A l'heure actuelle, le
calcul est sommaire (calcul analogique). Le calcul par éléments de
frontière est quelquefois réalisé (Epsilon Ingénierie).
•
Un calcul rapide permet d'envisager une optimisation plus facile de la
conception (intégration et optimisation de dissipateurs, …), ainsi qu'un
calcul de la durée de vie de l'assemblage (fiabilité composants et
assemblages).
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Le principe (1):
• Maillage grossier et uniforme du cube
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Le principe (2):
• Calcul des propriétés thermiques "équivalentes" de chaque
élément en fonction des matériaux et des composants qu'il
contient:
K el =
Septembre 2001
∑ K .V
i
i
Vel
i
Pd el = ∑
i
Pd i .Vi / el
Vi
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Le principe (3):
• Fixation des conditions aux limites: (interface cube/circuit
imprimé)
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Le principe (4):
• Calcul des températures "globales" par éléments finis
Cube
Septembre 2001
Composants
Composants dissipatifs
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Le Principe (5)
•
Calcul des températures "locales" par éléments finis suivant le même principe
en utilisant les valeurs de températures calculées précédemment comme
conditions aux limites:
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Les outils
• Entrées des paramètres, interface: Excell
• Calcul par éléments finis: LISA 3.0 version de
démonstration limitée à 3000 nœuds
• Visualisation: GID: version de démonstration
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Démonstration
Feuille Microsoft Excel
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Conclusion
• Intérêt de la méthode: prise en compte de tous les
composants, calcul rapide
• Les limites du principe de calcul proposé pour les
assemblages 3D doivent être trouvées (validation par
comparaisons, essais)
• La méthode pourrait être utilisée pour d'autres
assemblages (composants plastiques, …)
• Ce principe pourrait être utilisé
– Lors des dimensionnements
– Pour les analyses pire-cas
– Dans une démarche de compréhension des mécanismes de
défaillance
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques
Extensions
Calcul des contraintes thermo-élastiques; calcul des déformées
Septembre 2001
Contrôle thermique et composants/assemblages électroniques