Vollständige elektrisch-thermische Co-Simulation zur Systemanalyse

| Redakteur: Kristin Rinortner

Thermosimulation: Mit dem elektrisch-thermischen Co-Simulationstool Celsius Thermal Solver dringt Cadence in die Systemanalyse.
Thermosimulation: Mit dem elektrisch-thermischen Co-Simulationstool Celsius Thermal Solver dringt Cadence in die Systemanalyse. (Bild: Cadence)

Mit dem „Celsius Thermal Solver“ lassen sich Multiphysik-Simulationen wie eine kombinierte elektrisch-thermische Analyse durchführen. Durch die Kombination von FEA für feste Strukturen und CFD für Flüssigkeiten gelingt eine umfassende Systemanalyse.

Die Entwärmung in einem System erfolgt fast immer über Wärmeleitung und Konvektion. Die Schnittstellen IC/Package/Board/Gehäuse sind in erster Linie ein Wärmeleitungsproblem, das am besten durch die Finite-Elemente-Analyse (FEA) gelöst werden kann. Die Schnittstelle zwischen Gehäuse und Umgebung (Luft oder Flüssigkeit) ist ein strömungsmechanisches Problem, das mit CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) gelöst werden kann. Die thermische Analyse auf Systemebene erfordert daher sowohl FEA- als auch CFD-Ansätze. Das bildet die Voraussetzung für eine Komplettlösung.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass der Wärmefluss und die daraus resultierenden Temperaturgradienten über eine elektronische Baugruppe durch die Chip-Leistung bestimmt werden. Allerdings ist die Leistung abhängig von der Betriebstemperatur, so dass hier ein typisches Henne-Ei-Problem auftritt. Daher müssen elektrische und thermische Analysen gemeinsam durchgeführt werden. Das ging bisher nicht.

Als wäre das nicht genug, ist das dynamische Verhalten anders als das statische Verhalten. Wenn unsere Smartphones beispielsweise zwischen Einschalt-, Ruhe- und Schlafmodus wechseln, ziehen die Chips unterschiedlich viel Strom, was zu unerwarteten Transienten führen kann. Um dies zu berücksichtigen ist eine dynamische Analyse erforderlich.

Eine Komplettlösung sollte alle oben genannten Anforderungen erfüllen und eine komfortable Integration in Chip- und Board-Designumgebungen ermöglichen. Und genau das soll der Celsius Thermal Solver von Cadence leisten.

Elektrische und thermische Analyse kombiniert

Der Celsius Thermal Solver ist das laut Hersteller erste verfügbare Werkzeug, das eine Komplettlösung für die elektrisch-thermische Co-Simulation bietet. Der Solver kann große Systeme mit detaillierter Passgenauigkeit modellieren und die Wärmeverteilung von Strukturen, die so klein sind, wie ein IC, gemeinsam mit Strukturen, die so groß wie das Gehäuse sind, simulieren. Dazu nutzt der Solver Multiphysik-Simulationsverfahren. Durch die Kombination von FEA für feste Strukturen und CFD für Flüssigkeiten gelingt eine umfassende Systemanalyse in einem einzigen Werkzeug.

Der Celsius Thermal Solver lässt sich nahtlos in die Plattform Voltus und Sigrity zur Leiterplatten-, IC- und Gehäuse-Analyse und den Anfang des Jahres vorgestellten 3D-Solver Clarity integrieren. So lassen sich elektrische und thermische Analysen kombinieren und der Strom- und Wärmefluss simulieren. Damit ist eine umfangreichere thermische Simulation auf Systemebene möglich als bei herkömmlichen Werkzeugen, so der Hersteller. Da notwendige Iterationsschleifen minimiert werden, ist auch die Fehleranfälligkeit geringer.

Stationäre und transiente Co-Simulationen

Darüber hinaus lassen sich mit dem Celsius-Solver sowohl statische (stationäre) als auch dynamische (transiente) elektrisch-thermische Co-Simulationen durchführen, die auf dem tatsächlichen Stromfluss in 3D-Strukturen basieren und Einblick in das reale Systemverhalten gewähren. Die Zeitschritte können je nach Bedarf der jeweiligen Analyse angepasst werden.

Um eine echte Analyse auf Systemebene zu ermöglichen, d.h., ohne die Analyse in einzelne Teile zu zerlegen, verteilt der Celsius Thermal Solver die Berechnungssoftware in die Cloud oder lokale Rechenzentren. Damit erreicht man eine nahezu unbegrenzte Kapazität und eine etwa zehnfache Beschleunigung der Rechenzeiten. Dieses Prinzip der „verteilten Berechnungen“, wird auch bei Voltus und Clarity verwendet.

Das Temperaturprofil eines eingehausten Chips zeigt, dass der Chip heiß (rot) und die meisten Anschlüsse kühl (grün) sind, außer wenn die Joule-Heizung eine Rolle spielt (orange). Das darunterliegende Substrat ist kalt (blau).
Das Temperaturprofil eines eingehausten Chips zeigt, dass der Chip heiß (rot) und die meisten Anschlüsse kühl (grün) sind, außer wenn die Joule-Heizung eine Rolle spielt (orange). Das darunterliegende Substrat ist kalt (blau). (Bild: Cadence)

Thermische Analyse auf Systemebene neu gedacht

„Nach der erfolgreichen Einführung des 3D-Solvers Clarity in diesem Jahr unterstützt der Celsius Thermal Solver unsere Kunden nun dabei, die Herausforderungen beim System-Design und der Analyse von thermischen Effekten zu meistern. Gleichzeitig expandieren wir damit in einen neuen Systembereich“, erklärt Tom Beckley, Senior Vice President und General Manager der Custom IC & PCB Group von Cadence.

Der Celsius Thermal Solver wird bereits von ausgewählten Kunden wie Bosch und ARM in der Produktentwicklung eingesetzt. Bosch benötigt genaue elektrisch-thermische Simulationen, um ASICs und System-in-Package-Komponenten für die Automobilindustrie zu entwickeln. Der in die Virtuoso-Plattform integrierte Celsius-Solver vereinfacht elektrisch-thermische Simulationen und macht diese für die Schaltungs-, Layout- und Package-Designer direkt zugänglich. „Der Celsius Thermal Solver zeichnet sich durch kurze Durchlaufzeiten und genaue Ergebnisse aus. Wir können dadurch mehr Design-Varianten untersuchen und elektrisch-thermische Simulationen für Anwendungen nutzen, die bisher unerreichbar waren“, erzählt Goeran Jerke, Senior Project Manager bei Bosch Automotive.

Moderne IC-Gehäuse wie 3D-IC und Face-to-Face-Wafer-Bonding verbessern Elektroniksysteme von mobilen Geräten bis hin zu Hochleistungs-Rechenanwendungen. Damit einher geht jedoch eine starke Kopplung von elektrischen und thermischen Effekten. Diese Effekte analysiert ARM mit dem Celsius-Solver.

Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

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