Les assemblages 3D. Proposition de méthode de dimensionnement thermique rapide O. PUIG DTS/AQ/QCP/TP

Transcription

1 Les assemblages 3D Proposition de méthode de dimensionnement thermique rapide O. PUIG DTS/AQ/QCP/TP

2 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

3 Les assemblages 3D Exemples Convertisseur CMS avant assemblage 3D

4 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.

5 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).

6 Le principe (1): Maillage grossier et uniforme du cube

7 Le principe (2): Calcul des propriétés thermiques "équivalentes" de chaque élément en fonction des matériaux et des composants qu'il contient: K el = i K. V V el i i = Pd. V i i / el Pd el i Vi

8 Le principe (3): Fixation des conditions aux limites: (interface cube/circuit imprimé)

9 Le principe (4): Calcul des températures "globales" par éléments finis Cube Composants Composants dissipatifs

10 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:

11 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

12 Démonstration Feuille Microsoft Excel

13 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

14 Extensions Calcul des contraintes thermo-élastiques; calcul des déformées