Избыток тепла убивает электронные компоненты, и никто не знает этого лучше, чем разработчики электроники. С каждым новым проектом требования к потребляемой мощности устройств увеличиваются, в то время как габариты приборов уменьшаются. В результате, в печатной плате вырабатывается слишком много тепла, и возникают проблемы с его рассеиванием в окружающее пространство. Представьте себе, например, что ноутбуки станут настолько сильно греться, что будут обжигать колени пользователя, смартфоны станут отключаться из-за слишком активной работы с интернетом, а литиевые батареи в приборах будут воспламеняться в процессе перезарядки. Чтобы не допустить возникновения подобных проблем, разработчикам требуются инструменты, позволяющие достоверно вычислять степень нагрева электронных компонентов и решать проблемы теплоотвода, причем это следует делать на этапе разработки, когда проектируется корпус и конструкция прибора, выполняется компоновка и трассировка печатных плат.

Компания Cadence, наиболее хорошо известная своим программным обеспечением для автоматизированного проектирования печатных плат Allegro и OrCAD, анонсировала новую программу для анализа тепловыделения – Celsius Thermal Solver. Этот симулятор использует методы конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамики (CFD) для обнаружения перегрева микросхем, печатных плат и корпусов приборов с учетом тепловыделения, теплопередачи и конвекционной передачи тепла (см. рис. 1).

Celsius получает полную информацию о конструкции корпуса и топологии печатной платы из инструментов САПР, в т. ч. из проектов САПР печатных плат Cadence Allegro или OrCAD. Более того, Celsius может получить информацию о детальной конструкции самой микросхемы, если речь идет об анализе тепловыделения и нагрева внутри ее корпуса. Таким функционалом могут заинтересоваться отечественные разработчики микросхем процессоров, которые пользуются САПР Cadence для проектирования СБИС и корпусов/подложек микросхем (САПР для разработки подложек Cadence Allegro Package Designer/System In Package является расширенной версией САПР печатных плат Cadence Allegro PCB Designer).

При анализе тепловыделения внутри корпуса микросхемы в Celsius более всего впечатляет, пожалуй, уровень детализации внутреннего устройства микросхемы. Сегменты тончайшей золотой проволоки, которыми кристалл микросхемы соединяется с выводами подложки, выглядят как нити паутины (см. рис. 1). Но стоит увеличить масштаб в окне 3D-представления Celsius, и можно увидеть, что моделируется даже прямоугольное сечение этой проволоки. При протекании тока проволока нагревается, и Celsius визуализирует это – нагретые участки становятся красными в случае локального перегрева. Невероятно, но программа Celsius может рассчитать и отобразить тепловые характеристики всей геометрии микросхемы, включая сотни проводов, проводники и переходные отверстия в подложке, шариковые выводы BGA или Flip-Chip. Чтобы значительно сократить время моделирования, Celsius использует библиотеку готовых объектов, которые активируются по мере прохождения тока по цепям. Результирующие температуры можно увидеть снаружи, внутри, с рассечением объектов, или с удалением некоторых объектов. Celsius выполняет рассечение микросхемы в любой плоскости, часть за частью и послойно. Можно увидеть, например, что место соединения микросхемы с подложкой, в которой часто накапливается тепло, с течением времени перегревается. Местоположение точки перегрева определяется с точностью до миллиметра.

Напрашивается вывод, что Celsius идеально подходит для разработчиков микросхем, выделяемая мощность которых становится все больше при меньших размерах кристаллов и подложек.

Однако, как уже упоминалось, Celsius также в состоянии осуществлять тепловой анализ на уровне печатной платы, и даже на системном уровне всего прибора в корпусе с учетом обдува, работы радиаторов и других систем теплоотвода. С помощью алгоритмов FEA и CFD симулятор Celsius анализирует не только переходные температурные процессы, но и устойчивые тепловые состояния проектируемого электронного устройства (см. рис. 2).

В процессе онлайн-демонстрации анализ образца смартфона с помощью Celsius занял всего несколько секунд после импорта геометрических параметров из файла в формате STEP. Специалисты Cadence утверждают, что решатель Celsius работает в 10 раз быстрее других аналогов. Почти мгновенно можно было увидеть, что смартфон при активной работе нагревается до 67°C. По словам специалиста Cadence, учитывалась только теплопроводность материалов и теплопередача, но в рассматриваемом случае этого достаточно, поскольку конвекция играет незначительную роль внутри смартфона. В результате время вычислений существенно сократилось.

Симулятор Celsius легко интегрируется в программное обеспечение для проектирования электроники Cadence, например в ПО OrCAD и Allegro PCB Designer для разработки печатных плат, а также Allegro Package Designer/SIP, Voltus, Virtuoso или Innovus для разработки микросхем. Топология компонентов и геометрические параметры печатной платы считываются из файлов Cadence собственного формата. Для представления геометрических параметров трехмерной конструкции прибора, а также трехмерных объектов на печатных платах и в компонентах, используются файлы нейтральных форматов, например STEP. Таким образом, Celsius предоставляет дополнительные удобства пользователям САПР, отделяя геометрические параметры системы от топологии текущего проекта: если параметры конструкции изменятся, разработчику не потребуется заново подгружать данные о топологии платы. Как уже упоминалось, Celsius считывает данные напрямую из файлов стандартных форматов для проектирования микросхем, корпусов и печатных плат.

Celsius выполняет моделирование с учетом зависимости режимов тепловыделения от времени, например с изменением электрического тока, или с учетом временных характеристик, смены режимов работы и профилей мощности, которые можно получить из программного обеспечения для проектирования электроники. Возможность быстро установить величину электрического сопротивления объектов и рассеиваемой на них мощности, легко и просто проводить тепловой анализ, а также учитывать детализованную геометрию объектов и их физическое расположение обеспечивает точные результаты моделирования. Права на ядро моделирования FEA принадлежат компании Cadence, а ядро моделирования CFD лицензировано у стороннего разработчика. Постобработка в 3D основана на ядре ParaView, анализаторе данных с открытым исходным кодом, который был разработан в Лос-Аламосской национальной лаборатории.