Predição de falhas em componentes eletrônicos
Entender 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 frequência, que tiram proveito do paralelismo do processamento para desempenhar a mesma carga de trabalho de um chip “single core”, de alta frequência e com baixo consumo de potência. Em consequência 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 micro-eletrônicos 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.
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 ou, como conhecido em português, placa de circuito interno).
Figura 2 – Distribuição de temperatura e escoamento de ar em uma PC.
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 tensões termicamente induzidas, assim tipificadas:
- 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.
Figura 3 – Tensão Equivalente de von Mises resultante do carregamento térmico da PC.
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 PCB também é apresentada.
Figura 4 – Curva PSD segundo a MIL-STD-202G e deformação direcional resultante na PC.
Absorção de Umidade
Controle de ambiente para equipamentos eletrônicos frequentemente 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.
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
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 dada a seguir 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.
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.
