Simulation dynamischer Wärmeübertragungsvorgänge in der Aufbau- und Verbindungstechnik

Abstract

Dem thermischen Management elektronischer Bauteile und Baugruppen kommt auf Grund der fortschreitenden Miniaturisierung und des damit einhergehenden Anstieges der Verlustleistungsdichte eine steigende Bedeutung zu. In diesem Zusammenhang kommt es in steigendem Maße zum Einsatz von Computersimulationen, um die Anzahl zeit- und kostenintensiver Experimenten zu verringern. Zu diesem Zwecke entwickelte und kommerziell erhältliche thermische Simulationsprogramme bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten für ein breites Anwendungsspektrum. Dieser Universalität steht jedoch zumeist auch ein hoher Aufwand zur Erstellung und Änderung der thermischen Modelle gegenüber. Darüberhinaus ist die notwendige Berücksichtigung zeitlich, örtlich und temperaturabhängig veränderlicher Wärmequellen, thermischer Werkstoffeigenschaften und Randbedingungen aufwendig und manchmal unmöglich.<br />In diesem Zusammenhang wurde in vorangegangenen Arbeiten ein effizientes Modellerstellungs- und Diskretisierungsverfahren entwickelt, welches jedoch auf vergleichsweise große Zellenzahlen führt und daher die Lösung eines großen Gleichungssystems erfordert. Die Entwicklung eines effizienten numerischen Algorithmus dazu, der diesen Anforderungen gerecht wird, ist wesentliches Ziel dieser Arbeit.<br />In der vorliegenden Arbeit wird dieser auf der Methode der alternierenden Richtungen (ADI-Verfahren) basierende Algorithmus vorgestellt, auf Basis dessen ein Simulationsprogramm mit graphischer Benutzeroberfläche erstellt wurde. Anschließend wird das entwickelte Simulationsprogramm zur Berechnung von Problemen aus drei unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt. Der erste Bereich ist die thermische Charakterisierung von Halbleiterbauelementen. Der zweite Anwendungsbereich umfasst die Ermittlung einer unbekannten thermischen Eigenschaft durch Reverse-Modeling. Der dritte Anwendungsbereich umfasst die Untersuchung eines thermisch basierten Technologieprozesses, nämlich die Optimierung von Laserlöt- und -entlötprozessen. Diese drei sehr unterschiedlichen Anwendungsbereiche prüfen die Flexibilität des entwickelten Simulationsprogrammes. Zur Überprüfung der numerisch berechneten Ergebnisse kommt es auch zu Vergleichen mit Ergebnissen aus experimentellen Untersuchungen.

Reliability and lifetime of electronic components are mainly influenced by aging processes related to superposing effects of mechanical vibrations, thermomechanically induced stress and thermal load. The second two factors can be minimized by optimizing the component's thermal design. In simple cases a satisfying thermal design can be found in an empirical way. However, in order to reduce the experimental effort in this field thermal simulation methods are applied.<br />Commercially available software packages are providing a high flexibility for a wide diversity of applications but high effort is necessary for maintenance and for generating the thermal models.<br />Moreover, temperature dependent material properties, temperature dependent boundary conditions or temperature and time dependent loss power densities are often difficult or in some cases even impossible to implement.<br />In this work a developed thermal simulation tool (TRESCOM II) is presented. The developed tool is based on an efficient model creation procedure and allows generating and maintaining models in short time.<br />Thermal parameters of common materials are implemented in a material database. The developed solver based on an alternating direction implicit (ADI) algorithm is efficiently processing high node numbers for computing nonlinear steady-state and unsteady-state heat transfer problems including the consideration of temperature dependent material parameters and boundary conditions. Finally, the developed tool is applied for three different kinds of applications: The thermal characterization of electronic components and devices, the determination of unknown thermal parameters using reverse modeling and the investigation of laser desoldering processes. The presented results are showing the efficiency of the developed tool.