Strömförsörjningskylning för att optimera kraftprestanda och kostnad
När värmen i produktsystemet ökar kommer systemets energiförbrukning att öka exponentiellt. På detta sätt, vid utformningen av strömförsörjningssystemet, kommer en lösning med en större ström att väljas, och detta kommer oundvikligen att leda till en kostnadsökning. Till viss del kommer kostnaden att öka exponentiellt.
Termisk simulering är en viktig del av att utveckla kraftprodukter och tillhandahålla riktlinjer för produktmaterial. Att optimera storleken på modulen är utvecklingstrenden för terminalutrustningsdesign, som medför omvandling av värmeavledningshantering från metallkylflänsen till PCB-kopparskiktet. Vissa moduler använder idag lägre switchfrekvenser för switchade strömförsörjningar och stora passiva komponenter. För spänningsomvandlingen och viloström som driver den interna kretsen är effektiviteten hos den linjära regulatorn relativt låg.
När funktionerna blir fler blir prestandan högre och högre, och enhetsdesignen blir allt mer kompakt. Vid denna tidpunkt blir simulering av värmeavledning på IC-nivå och systemnivå mycket viktig.
Arbetsmiljötemperaturen för vissa applikationer är 70 till 125°C, och temperaturen i vissa fordonsapplikationer i formstorlek är till och med så hög som 140°C. För dessa applikationer är den oavbrutna driften av systemet mycket viktigt. Vid optimering av elektroniska konstruktioner blir noggrann termisk analys under transienta och statiska värsta tänkbara scenarier för ovanstående två typer av applikationer allt viktigare.
1. Värmehantering
Svårigheten med värmeavledningshantering är att minska förpackningens storlek samtidigt som man uppnår högre värmeavledningsprestanda, högre arbetsmiljötemperatur och lägre budget för kopparvärmeavledningsskikt. Hög förpackningseffektivitet kommer att resultera i en högre koncentration av värmealstrande komponenter, vilket resulterar i extremt höga värmeflöden på IC-nivå och förpackningsnivå.
De faktorer som måste beaktas i systemet inkluderar andra kraftenheter för kretskort som kan påverka analysenhetens temperatur, systemutrymme och luftflödesdesign/-begränsningar. De tre nivåerna av termisk hantering som ska beaktas är: paket, kretskort och system
Typisk värmeöverföringsväg i IC-paket
Låg kostnad, liten formfaktor, modulintegration och pakettillförlitlighet är flera aspekter som måste beaktas när du väljer ett paket. Eftersom kostnaden blir en viktig faktor, blir paket för förbättring av värmeavledning baserade på blyramar allt mer populära.
Denna typ av paket inkluderar inbäddad kylfläns eller exponerad dyna och paket av blötläggningschipstyp, som är designat för att förbättra värmeavledningsprestanda. I vissa ytmonterade paket svetsar vissa dedikerade blyramar flera ledningar på varje sida av paketet för att fungera som en värmespridare. Denna metod ger en bättre värmeavledningsväg för värmeöverföringen av dynan.
2. Simulering av värmeavledning av IC och paket
Termisk analys kräver detaljerade och noggranna produktmodeller av kiselchips och inrymmer termiska egenskaper. Halvledarleverantörer tillhandahåller kiselchip IC värmeavledning mekaniska egenskaper och förpackning, medan utrustningstillverkare tillhandahåller information om modulmaterial. Produktanvändare tillhandahåller information om användningsmiljön.
Denna analys hjälper IC-designers att optimera storleken på effekt-FET för den värsta strömförbrukningen i transienta och statiska driftlägen. I många kraftelektroniska IC:er upptar effekt-FET en avsevärd del av formytan. Termisk analys hjälper designers att optimera sina konstruktioner.
Den valda förpackningen exponerar i allmänhet en del av metallen för att ge en låg värmeavledningsimpedansväg från kiselchipet till kylflänsen. De viktigaste parametrarna som krävs av modellen är följande:
Silikonchipstorlek bildförhållande och spåntjocklek.
Området och platsen för kraftenheten och eventuella extra drivkretsar som genererar värme.
Strömförsörjningsstrukturens tjocklek (spridningen i kiselchipset).
Området och tjockleken på formanslutningen där kiselchipset är anslutet till de exponerade metallkuddarna eller metallbulorna. Kan inkludera procentandelen av luftgapet i formanslutningsmaterialet.
Området och tjockleken på korsningen mellan exponerade metallkuddar eller metallbulor.
Använd formmaterialet och anslutningsledningens förpackningsstorlek.
Värmeledningsegenskaperna för varje material som används i modellen måste anges. Denna datainmatning inkluderar även temperaturberoende förändringar i alla värmeledningsegenskaper, som specifikt inkluderar:
Termisk ledningsförmåga av silikonchip
Formanslutning, termisk ledningsförmåga hos formmaterialet
Värmeledningsförmåga vid korsningen av metallkuddar eller metallklumpar.
Interaktion mellan förpackningsprodukt och PCB
En av de viktigaste parametrarna för simulering av värmeavledning är att bestämma det termiska motståndet från dynan till kylflänsmaterialet. Metoderna för att bestämma den termiska resistansen är som följer:
Flerskikts FR4-kretskort (vanligtvis används fyra- och sexlagers kretskort)
Enkelsidigt kretskort
Översta och undre kretskort
Vägarna för värmeavledning och termiskt motstånd varierar beroende på olika implementeringsmetoder:
Anslut till värmeavledningsplattan på den interna kylflänspanelen eller värmeavledningshålet vid skarven mellan utsprånget. Använd lod för att ansluta den exponerade termiska dynan eller bumpanslutningen till det översta lagret av PCB.
En öppning på kretskortet under den exponerade termiska dynan eller bumpanslutningen, som kan anslutas till den förlängda kylflänsbasen ansluten till modulens's metallhölje.
Använd metallskruvar för att ansluta kylflänsen till kylflänsen på det övre eller nedre kopparskiktet på kretskortet på metallskalet. Använd lod för att ansluta den exponerade termiska dynan eller bumpanslutningen till det översta lagret av PCB.
Dessutom är vikten eller tjockleken av kopparplätering som används på varje lager av PCB mycket kritisk. När det gäller termisk resistansanalys påverkas skikten som är anslutna till de exponerade dynorna eller stötarna direkt av denna parameter. Generellt sett är dessa topp-, kylfläns- och bottenskikten i ett flerskikts kretskort.
I de flesta applikationer kan det vara ett 2 ounce koppar (2 ounce koppar=2,8 mils eller 71 µm) yttre skikt och ett 1 ounce koppar (1 ounce koppar=1,4 mils eller 35 µm) inre skikt, eller alla är alla 1 uns kraftigt kopparbeklätt lager. I hemelektronikapplikationer använder vissa applikationer till och med 0,5 ounces koppar (0,5 ounces koppar=0,7 mils eller 18 µm) lager.
