Modélisation sous ATMI

Comme indiqué ci-dessus, nous avons fait le choix d’utiliser l’environnement ATMI pour modéliser les comportements thermiques du circuit. La Figure 3.10 décrit le modèle de circuit défini dans ATMI.

Figure ‎3.10 : Principe‎de‎la‎modélisation‎d’un‎circuit‎par‎ATMI

Pour obtenir un modèle du circuit, l’environnement ATMI impose de définir un ensemble de paramètres présentés dans le Tableau 3.1.

Ce modèle considère deux couches de matériaux chacune représentant un carré de taille L. La première de taille z1 représente le silicium et la seconde de taille z2-z1 représente le système de dissipation de chaleur et/ou la base du système de dissipation de chaleur (par exemple du cuivre), ce qui est notre cas. Ces deux couches sont caractérisées chacune par leur conductivité thermique k1 et k2. Le flux de chaleur produit à l’instant t par les transistors et les connexions situées en (x,y) dans la couche basse est représenté par q(x,y,t). La conductance h1 représente l’interface entre les deux matériaux et la conductance h2 décrit le coefficient de transfert de chaleur, ce dernier coefficient modélise le flux qu’il est possible d’extraire à travers la surface du matériau supérieur vers l’air ambiant. Cette description simplifiée du système néglige en particulier les échanges thermiques qui s’opèrent sur les côtés verticaux des deux couches de matériaux.

Les sources de chaleur ont été modélisées dans ATMI par des rectangles situés en z=0. Avec ce type de description des sources de chaleur, ATMI impose de définir ces rectangles ayant des côtés parallèles aux axes x et y du circuit. Il est nécessaire de définir également la taille et la position des rectangles dans le plan z=0 et la densité de puissance (en W/m²) produite à partir de l’instant t=0 par chacun de ces rectangles.

La description de ces rectangles dans ATMI est basée sur l’analyse thermographique faite précédemment (Figure 3.6).

Compte tenu des analyses effectuées précédemment, les premiers paramètres du modèle ATMI sont :

 la taille L = 6mm (le circuit a en réalité une taille de 5x7mm).  Les épaisseurs des matériaux sont z1 = 0,3mm et d = 0,4mm.

 Les surfaces des deux cœurs de processeurs sont estimées chacune à 1,8mmx3mm.  Les valeurs de conductivité k1 et k2 pour les matériaux de niveaux 1 (silicium) et 2

(plastique) données par Freescale sont indiquées dans [82]. Elles sont respectivement égales à 148 W/mK et 360 W/mK.

 La diffusivité thermique d’un matériau est égale à k/ρ*C où k est sa conductivité, ρ sa masse volumique et C sa capacité thermique. Ainsi, à partir des données fournies dans [82], on peut déduire aisément les deux valeurs a1= 87.10-6 et a2 = 106.10-6.

Tableau ‎3.1 : Paramètres dans ATMI

Paramètre Description

z1 épaisseur du matériau de niveau 1

d2 épaisseur du matériau de niveau 2 (z2 = z1 + d) k1 conductivité thermique du matériau de niveau 1 (en W/mK) a1 diffusivité thermique du matériau de niveau 1 (en m2 / s ) k2 conductivité thermique du matériau de niveau 2 (en W/mK) a2 diffusivité thermique du matériau de niveau 2 (en m2 / s ) h1 conductance thermique de l’interface niveau 1/niveau 2 (en W/m2K) h2 conductance thermique de l’interface niveau 2/ambiant (W/m2K)

L taille du circuit (en m)

Pour construire le modèle complet, il est nécessaire de déterminer les valeurs des autres paramètres en particulier h1 et h2 qui ont un rôle majeur sur la diffusion de la chaleur dans le circuit et entre le circuit et l’air ambiant.

Pour déterminer maintenant la puissance dissipée au niveau du circuit, ATMI dispose d’une technique pour extraire la puissance rayonnée à partir d’une image thermique donnée. En effet, en utilisant la caméra thermique, son capteur mesure la puissance du rayonnement thermique d’un objet dans un certain spectre. Cette mesure est ensuite convertie en valeurs de température puis visualisée par l’intermédiaire d’une palette numérique pour l’affichage. Ainsi, la caméra thermique est d’abord un capteur de puissance rayonnée, puissance qui dépend elle-même de la température de l’objet. Par conséquent, si la transformation effectuée Ainsi, sur la Figure 3.11 (a), à partir de l’image fournie par la caméra via la palette « Rainbow » il est possible de recalculer en inversant la fonction palette, la valeur de la puissance de rayonnement mesurée pour chaque pixel de l’image source. La Figure 3.11 (b)

donne le résultat non pas pour chaque pixel mais par blocs carrés de 10x10 pixels. Cette matrice de valeurs de puissance est en relation directe avec la puissance dissipée par le composant. En sommant les puissances ainsi trouvées pour l’ensemble des pixels, on doit retrouver la puissance mesurée sur l’alimentation du circuit. N’ayant pas directement accès à cette mesure on a considéré que cette puissance est égale à celle indiquée dans les datasheets du composant à savoir 180 mW à T=25°C. Ainsi par cette méthode il est possible de déterminer pour chaque partie du circuit sa contribution à la consommation de puissance. Pour vérifier ce calcul, nous avons effectué une mesure de température par la caméra thermique en utilisant la même palette que l’outil Gnuplot (Figure 3.11 (c)). Ainsi il y a concordance entre la visualisation de la température fournie par la caméra thermique à partir de la puissance mesurée par le capteur de la caméra et l’affichage de la puissance recalculée et affichée via Gnuplot. Ainsi cette méthode de mesure de puissance est utile pour renseigner la consommation des cœurs de processeurs, ici du MPC5517, dans les étapes suivantes de simulation.

Dans la suite on indique l’approche qui a permis de déterminer les valeurs des paramètres h1= 300W/m2K; h2 = 190 W/m2K, étant données leurs sensibilités et leurs influences dans les résultats –leurs valeurs doit être évaluée le mieux possible. Cette approche se base sur l’utilisation du simulateur STIMuL.

Figure ‎3.11 : Calcul‎de‎la‎puissance‎rayonnée‎à‎partir‎de‎l’image‎fournie‎par‎la‎caméra‎ thermique