Advanced Micro Devices (AMD)

Die Simulation der thermischen und mechanischen Belastungen hat bei der Entwicklung eines neuen Mikroprozessors von Advanced Micro Devices (AMD) sehr viel Zeit eingespart. Per Software wurden das thermische Design des IC und die speziellen Testeinrichtungen überprüft, bevor die ersten Prototypen hergestellt wurden. Das Unternehmen setzte die Software FloTHERM ein, um das Verhalten des Halbleiters und der Testeinrichtung unter realistischen Kühlungsverhältnissen zu simulieren. So konnten auch die Temperatur der verschiedenen Elemente des Bausteins, sowie die Temperaturen und thermischen Beanspruchungen der Testeinrichtung vorhergesagt werden.

Die Simulation hat uns dabei geholfen, schon vor dem ersten Prototypen mögliche Probleme mit thermischen oder mechanischen Belastungen zu identifizieren. Durch eine iterative Anpassung des Bauteils und der Testeinrichtung konnten wir Probleme vermeiden, die sonst zu teuren Verzögerungen geführt hätten. Die Verfügbarkeit der neuen Software, die nicht nur das thermische Management abdeckt, sondern auch automatisch die entstehenden thermischen Belastungen berechnet, hat wesentlich zu diesem Erfolg beigetragen.”

Bao-Min Liu, Senior Engineer bei AMD

Kritische Anforderungen an das thermische Verhalten

Das thermische Verhalten ist bei praktisch jeder Entwicklung eines Mikroprozessors ein wichtiger Aspekt. Daher muss jeder Baustein, der von AMD herausgebracht werden soll, strenge interne Vorgaben erfüllen. Es ist jedoch schwierig, das thermische Verhalten einer Neuentwicklung zu bestimmen, ohne das Bauteil tatsächlich anzufertigen und zu testen. Dabei werden verschiedene Tests durchgeführt, um das thermische Verhalten unter vielen unterschiedlichen Bedingungen, z.B. mit verschiedenen Arten von Kühlkörpern und Bauformen, zu untersuchen. Wenn ein Problem auftritt, führt dies zu einer zeitaufwendigen Fehlersuche, nach der sämtliche Tests wiederholt werden müssen. Eine weitere Herausforderung ist die Auslegung der Testeinrichtung, die dazu eingesetzt wird, um das thermische Verhalten zu untersuchen. Eine typische Testeinrichtung umfasst Heizungs- und Kühlsysteme sowie ein Steuersystem, das den Mikroprozessor während der Leistungsprüfungen zyklisch vielen unterschiedlichen Temperaturen aussetzt. Die Auslegung des Steueralgorithmus für die Testeinrichtung ist eine schwierige Aufgabe, da sie auf Sperrschichttemperaturen beruht, die sich nur schwer vorhersagen lassen.

Vor einigen Jahren untersuchten die Techniker von AMD eine Software einer neuen Generation, die thermische Analysen auf Bauteil- und Systemebene durchführt, um thermische Probleme vor dem ersten Prototypen zu lösen. Die Absicht dabei war nicht, die praktischen Tests, die zur Validierung erforderlich sind, zu ersetzten, sondern thermische Probleme bei Bauteil und Testeinrichtung schon vor den ersten Prototypen zu lösen, um zusätzliche Iterationen bei der Entwicklung zu vermeiden.

„Wir haben uns verschiedene Typen von Software zur Berechnung von Strömungsdynamik angesehen und ein Paket ausgewählt, bei dem der Zeitaufwand und die Anforderungen an die Spezialkenntnisse zur Simulation komplizierter Kühlprobleme in der Elektronik geringer sind, da es in diesem Fall speziell um die Kühlung von Elektronik geht“, erklärte Liu hierzu.

Die Software FloTHERM erlaubt es dem Anwender, Modelle aus Bibliotheken zusammenzustellen, ohne jeweils wieder ganz von vorne anfangen zu müssen. FloTHERM enthält eine reiche Auswahl thermischer Modellbibliotheken bestehender Bauteile. Die automatischer Erstellung der Zellenstruktur sowie die Möglichkeit, die Berechnungen von mehreren Rechnern im Netzwerk parallel durchführen zu lassen, beschleunigt die Untersuchung mehrerer Varianten zur Optimierung der Entwicklung.

Das Unternehmen hat außerdem ein Modul namens FLO/STRESS zur Untersuchung thermo-mechanischer Belastungen entwickelt, bei dem das von der CFD-Analyse berechnete Temperaturfeld dazu genutzt wird, eine erste Einschätzung der thermo-mechanischen Belastungen innerhalb von Bauteilen, Leiterplatten, thermischen Schnittstellen, Lötverbindungen usw. vorzunehmen. Dieses Modul erfordert nur wenig zusätzliche Zeit zur Vorbereitung, da es zur Analyse der Belastungen die bereits für die CFD erstellten Geometrien und Temperaturen nutzt.

Erstellung und Lösung von CFD- und FEA-Modellen

Liu begann damit, dass er aus Quadern ein Modell aller Teile eines neuen, noch nicht angekündigten Mikroprozessors erstellte. Anschließend fügte er dieses Modell zum Modell einer im EAI/JEDEC-Standard EAI/JESD51-3 spezifizierten Leiterplatte hinzu. Die nach dieser Norm spezifizierten Leiterplatten entsprechen sehr spezifischen Anforderungen bezüglich des Werkstoffs, der Umrisse und der Leiterbahnführung. Das Modell wurde anschließend berechnet, um die Parameter zum thermischen Verhalten, einschließlich des thermischen Widerstands zwischen Sperrschicht und Umgebung, zwischen Sperrschicht und Leiterplatte sowie zwischen Sperrschicht und Gehäuse, und die Temperaturprofile innerhalb des Bausteins unter verschiedenen Bedingungen zu ermitteln.

Liu untersuchte verschiedene Kühlkörper und außerdem Varianten mit und ohne Deckplatte. Dabei kam er zu dem Schluss, dass der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Kühlkörper höher war, als im ursprünglichen Konzept gewünscht, und dies hauptsächlich deshalb, weil neue Prozessregeln eine Verkleinerung des Chips ermöglichten. Er überarbeitete das Modell durch Hinzufügen eines Metalldeckels, um die Sperrschichttemperatur zu verringern und die mechanische Stoßfestigkeit des Bausteins zu verbessern. Die erneute Analyse erbrachte die Bestätigung, dass alle Parameter zum thermischen Verhalten innerhalb der Vorgaben lagen.

Als nächstes erzeugte Liu, ausgehend von der Testeinrichtung, ein neues Design auf Systemebene, um die thermische Belastung auf der Heizplatte zu untersuchen. Hierzu erstellte er zuerst ein CFD-Modell der Testeinrichtung, das gleichzeitig das Modell und die Zellenstruktur für die Analyse der thermischen Belastungen lieferte. Die Berechnung dieses Modells lieferte die Temperaturen, die als Eingangswerte für die Analyse der thermischen Belastungen benötigt wurden. Die Informationen zur Geometrie, zur Zellenstruktur und zur Temperatur wurden vom CFD-Lösungsmodul nach Abschluss der CFD-Berechnung direkt an das FEA-Lösungsmodul (Finite-Elemente-Analyse) übergeben. Die ausgefüllten Bereiche im Modell wurden mit herkömmlichen Finite-Elemente-Verfahren diskretisiert, und die von der CFD-Analyse vorhergesagten Temperaturänderungen wurden zur Berechnung der Verformung genutzt. Es mussten keine zusätzlichen Modelle oder Zellenstrukturen erstellt werden.

„Trotz der Tatsache, dass ich dieses Programm zum ersten Mal für die Analyse mechanischer Belastungen eingesetzt habe, habe ich nur etwa eine Woche gebraucht, um die Modelle auf der Bauteile- und Systemebene zu erstellen und die Analyse der thermischen und mechanischen Belastungen vorzunehmen", sagte Liu. „Die Ergebnisse zeigten, dass es mit der Testeinrichtung keine Probleme gab. In der Vergangenheit hatten wir zur Simulation der Testeinrichtungen herkömmliche Finite-Elemente-Analysen eingesetzt. Das integrierte Verfahren spart sehr viel Zeit und liefert außerdem genauere Ergebnisse, da es die konvektive Wärmeleitung besser simuliert.“

Liu kam zu dem Schluss, dass die Beanspruchungen der Heizplatte im zulässigen Rahmen lagen. Die Ergebnisse der CFD-Analyse wurden außerdem dazu genutzt, den Steueralgorithmus für die Testeinrichtung zu entwickeln.

„Vor dem Einsatz der CFD konnten wir die thermischen Bedingungen innerhalb des Bauteils erst dann genauer untersuchen, wenn die ersten Prototypen vorlagen und getestet worden waren“, so Liu. „In jüngster Zeit können wir die Sperrschichttemperaturen vorhersagen, lange bevor die ersten Muster für Tests verfügbar werden. In dieser Anwendung sind wir noch einen Schritt weiter gegangen, indem wir die Standalone-Software zur Finite-Elemente-Analyse dazu eingesetzt haben, die mechanischen Beanspruchungen bei unserer Testeinrichtung zu untersuchen. Wir haben durch den Einsatz der Software, die die Analyse der thermischen und mechanischen Beanspruchungen integriert, sehr viel Zeit sparen können. Diese Software verringert die Zeit zur Erstellung des Modells, denn sie enthält eine große Anzahl eingebauter Modellierungsoptionen, die speziell für die Simulation elektronischer Bauteile entwickelt worden sind. Dadurch, dass wir ein thermische Problem bereits vor der Entwicklung von Prototypen erkennen und beheben konnten, haben wir viel Zeit gespart, die sonst für die Fehlersuche, die Behebung des Problems und weitere Testläufe benötigt worden wäre. Als Ergebnis haben wir die Entwicklungskosten reduzieren und unseren Zeitplan für die Auslieferung ohne zusätzliche Ausgaben einhalten können.“

Über AMD

 AMD ist ein weltweiter Lieferant integrierter Schaltkreise für PCs und Netzwerkrechner sowie den Kommunikationsgerätemarkt mit Produktionseinrichtungen in den USA, Europa, Japan und Asien. Das 1969 gegründete Unternehmen hat seinen Sitz in Sunnyvale, Kalifornien, und im vergangenen Jahr einen Umsatz von 3,9 Mrd. USD erzielt. AMD ist Fortune 500 und Standard & Poor's 500 gelistet. Das Unternehmen produziert Mikroprozessoren, Flash-Memory-Bausteine und Schaltungen für Kommunikation und Netzwerke. So bietet z.B. der Prozessor AMD Athlon™ XP 2200+ mit QuantiSpeed™ Architektur, der erste AMD-Desktop-Prozessor in 0,13 Micron-Prozessortechnologie, eine höhere Leistung bei niedrigerem Energieverbrauch und geringeren Abmessungen in einer stabilen, kompatiblen Sockel-A-Infrastruktur.

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