Predição de falhas em componentes eletrônicos

ARTIGO TÉCNICO
Predição de falhas em componentes eletrônicos
Tensões de origem térmica são a causa número 1 de falha de componentes eletrônicos. Vibração mecânica, umidade e
entrada de poeira dividem o segundo lugar.
E
ntender os efeitos de carregamentos térmicos e
mecânicos em componentes eletrônicos é crucial
para determinar a confiabilidade e performance do
produto final. Este artigo descreve as principais causas de
falhas em eletrônicos e exemplos do uso de ferramentas
ANSYS para a detecção de problemas, levando a um
melhor conhecimento dos aspectos físicos envolvidos que
contribuem para a busca das soluções.
Gerenciamento Térmico
O rápido ritmo do desenvolvimento tecnológico na
indústria eletrônica impulsionou uma crescente
miniaturização de sistemas e um incrível aumento nas
densidades de potência dissipadas. Este fenômeno se
deve ao dramático aumento em densidade de chips e
potência, assim como à contínua redução nas dimensões
físicas dos empacotamentos eletrônicos. Segundo dados
da ANSYS, Inc., corroborado por diversos fabricantes
importantes do setor, não há nada feito pelo homem em
escala industrial cujo tamanho é reduzido pela metade a
cada 2 anos. Ou seja, a cada 2 anos tem-se o dobro do
número de componentes (transistores, chips, etc.) em um
dado componente eletrônico desenhado para função
específica.
A potência de processadores já ultrapassa 150W, e
projeções indicam que este número continuará crescendo
apesar dos desenvolvimentos em projetos “multi-core” de
baixa freqüência, que tiram proveito do paralelismo do
processamento para desempenhar a mesma carga de
trabalho de um chip “single core”, de alta freqüência e com
baixo consumo de potência. Em conseqüência disso, o
gerenciamento térmico se tornou uma das áreas mais
críticas no projeto de componentes eletrônicos e terá
impacto significante em custo, confiabilidade e
desempenho da próxima geração tecnológica, com
pesado uso de dispositivos microeletrônicos.
A taxa de falha através de eletromigração e destruição
da camada de óxido no semicondutor é exponencialmente
dependente da temperatura e impacta diretamente na
confiabilidade do circuito integrado. Para reduzir esse
efeito, fabricantes limitam a temperatura de microeletrônicos entre 85°C e 110°C. Outra característica peculiar da distribuição térmica de um circuito integrado é a
dissipação térmica desigual, que leva a regiões com concentração de elevadas temperaturas, conhecidas como
“hot spots”. A temperatura dentro de um chip microprocessador pode variar de 5 a 30°C de um ponto para outro. Este
elevado gradiente térmico também causa falha no chip
devido à dependência térmica da dispersão de potência.
A Figura 1 representa a configuração típica de chip
processador fixado a um dissipador externo, que usualmente é resfriado através de convecção forçada de ar.
Figura 1 - Diagrama de um “flip-chip” em um empacotamento de
alta performance
Sistemas para Gerenciamento Térmico
Materiais de Interface Térmica - São definidos como sendo
os materiais de baixa resistência térmica comumente usados
para preencher a região entre microprocessadores e dissipadores, com o objetivo de aumentar a condutividade térmica.
Os mais usados são as chamadas pastas térmicas, tipicamente óleo de silicone adicionado de óxido de alumínio ou de zinco.
Dissipador (Heat Sink) - Dispositivos normalmente formados
por aletas de alumínio extrudado, usados para dissipar calor
do “package” para o meio externo.
Ventiladores (Fan) - Aumentam a remoção de calor dos
dissipadores, através do fluxo de massa de ar entre as aletas.
O inconveniente do uso desses sistemas é o alto consumo
associado ao ruído gerado. Para emissão de calor até 50
W/cm2, aplicações de ventiladores com ar refrigerante são
uma boa opção.
Fan Piezelétrico - Uma alternativa ao uso de ventiladores
convencionais, com o beneficio de reduzido consumo, ruído,
custo e dimensões. Recentemente surgiram como uma
alternativa viável para uma grande variedade de produtos
eletrônicos portáteis.
Cooler Termoelétrico (Peltier) - Esses sistemas utilizam o
efeito termoelétrico (conversão direta de diferença de potencial
em gradiente de temperatura e vice-versa) para criar um fluxo
de calor. Possui algumas limitações para atender o aumento
das necessidades de retirada de calor em circuitos integrados,
devido à baixa capacidade de refrigeração (5 a 10 W/cm2).
Microchannels e Minichannels - São canais com pequeno
diâmetro hidráulico e alto coeficiente de transferência de calor
(10.000 < h < 100.000W/m2K. O termo “micro” é usado para
dispositivos com diâmetro hidráulico a partir de 10m, enquanto
“mini” se refere a diâmetro superior a 1 mm.
O uso de líquido refrigerante tem se tornado atrativo em
sistemas com elevado fluxo de calor, nos quais o uso de ar se
torna impraticável.
São uma excelente alternativa em
aplicações com fluxo de calor entre 100 e 1000 W/cm2.
Entretanto, o gerenciamento térmico com líquido refrigerante
normalmente adiciona custo e complexidade ao sistema.
ARTIGO TÉCNICO
O caminho principal do fluxo de calor do chip para o ar é:
Chip => TIM1 => Cobertura => TIM2 => Dissipador => Ar.
A contribuição do empacotamento para esse caminho é
determinada pela condutibilidade térmica do Material de
Interface Térmica (Thermal Interface Material - TIM) e da
cobertura (espalhador de calor). Neste tipo de arranjo
clássico ocorrem os 3 tipos de transferência de calor
(condução, convecção e radiação) e seus efeitos
combinados. O calor produzido internamente é
transferido sob a forma de condução de calor através da
parede dos componentes, muitas vezes podendo ser
considerada tipicamente como uma condução de calor
unidimensional. Quando esta energia sob a forma de
calor chega à superfície dos equipamentos e entra em
contato com o ar, a mesma é dissipada sobre a forma de
convecção forçada e radiação.
Todos estes desafios apontam para necessidade de
desenvolvimento de soluções de gerenciamento térmico
de alta performance. Essa atividade tem recebido
significante assistência dos softwares de Dinâmica de
Fluidos Computacional (CFD). Na fase inicial do projeto,
a análise de CFD é usada para selecionar a estratégia de
“cooling” e refinar o projeto térmico através da análise
paramétrica. Na fase final de projeto, a análise detalhada
do desempenho térmico do produto é realizada para
predizer sua confiabilidade.
A Figura 2 mostra um resultado típico de uma simulação
realizada no programa ANSYS,
onde é apresentada a distribuição de temperatura e as linhas
de corrente do escoamento em
uma PCB (printed circuit board
Figura 2 - Distribuição de ou, como conhecido em portutemperatura e escoamento de
guês, placa de circuito interno).
ar em uma PCB
Tensões de Origem Térmica
Tensões termomecânicas e deformações são os
principais responsáveis pelo
mau funcionamento e falha
em componentes eletrônicos. Elevados gradientes de
temperatura induzem falhas
nos diversos arranjos
eletrônicos associadas a Figura 3 - Tensão Equivalente de
t e n s õ e s t e r m i c a m e n t e von Mises resultante do
induzidas, assim tipificadas: carregamento térmico da PCB
Falha nas junções dos transistores;
Deformações elásticas ou plásticas excessivas;
Falha de ruptura dúctil e frágil;
Falha de fadiga térmica;
Falha devido a choque térmico;
Falha devido a tensões de corrosão.
A Figura 3 apresenta os resultados de tensão
equivalente de von Mises obtidos a partir de um dado
carregamento térmico da PCB.
Vibração Mecânica
Refere-se à oscilação mecânica sobre um ponto de
equilíbrio. O uso de dissipadores de maior tamanho e massa, necessários com o aumento dos carregamentos térmicos, induzem a deflexões que podem levar a destruição
das. BGA's (Ball Grid Array). Essa mudança geométrica
dos projetos fez com que a análise de vibração se tornasse
de extrema importância para a confiabilidade de produtos
eletrônicos.
Os testes que reproduzem
as condições de operação
e transporte utilizam
curvas PSD (Power
Spectrum Density). A
norma MIL-STD-202G
(Test Method Standard Electronic and Electrical
Components Parts) sugere o espectro para o teste
mostrado na Figura 4, cuja
deformação direcional na
Figura 4 - Curva PSD segundo
PCB também é apresena MIL-STD-202G e deformação
tada.
direcional resultante na PCB
Absorção de Umidade
Controle de ambiente para equipamentos eletrônicos freqüentemente envolve o entendimento e
gerenciamento de concentração de umidade. Altos níveis
de umidade implicam em vários efeitos nocivos, como
expansão do material, causando a concentração de
tensões e o aparecimento do fenômeno da corrosão.
Considerando que o movimento de calor e umidade são
tipicamente difusivos e similares do ponto de vista de sua
natureza, corroborado pelas semelhanças da equação da
difusão de Fick (1), que descreve a concentração de
umidade em materiais, e a equação da transferência de
calor (2), pode-se aplicar ferramentas de expansão
térmica para resolver problemas de concentração de
umidade.
C = Concentração
D = Difusividade de Umidade
(1)
T = Temperatura
∂ = Difusividade Térmica
(2)
Para solucionar problemas de absorção de umidade
através da ferramenta ANSYS, podemos aplicar a
analogia entre análise térmica e umidade criando uma
simulação considerando-se os efeitos térmicos em
regime permanente “Steady-State Thermal” e aplicando a
correlação, mostrada na Tabela 1.
Tabela 1 - Analogia Termo - Umidade
Propriedade
Térmica
Umidade
Variável
Temperatura, T
Umidade, w=C/Csat
3
Densidade
ρ (kg/m )
1
Condutivitidade
K (W/m °C)
D*Csat (kg/s . m)
Capacidade Específica
c (J/kg °C)
Csat (kg/m3)
onde:
Csat é a concentração de umidade saturada;
D é o coeficiente de difusão;
w é umidade, podendo variar entre 0 (seco) e 1 (100%
úmido).
A Figura 5 mostra um resultado típico obtido em uma
simulação no programa ANSYS onde se pode observar as
deformações do componente eletrônico causadas pela
umidade presente no equipamento, usando a analogia
descrita anteriormente.
Figura 5 - Resultados de umidade e deformação em um compoente
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