Strømforsyningskjøling for å optimalisere kraftytelsen og kostnadene
Når varmen i produktsystemet øker, vil strømforbruket til systemet øke eksponentielt. På denne måten, ved utforming av strømforsyningssystemet, vil en løsning med større strøm velges, og dette vil uunngåelig føre til en kostnadsøkning. Til en viss grad vil kostnadene øke eksponentielt.
Termisk simulering er en viktig del av å utvikle kraftprodukter og gi retningslinjer for produktmateriale. Optimalisering av størrelsen på modulen er utviklingstrenden for terminalutstyrsdesign, som fører til konvertering av varmeavledningsstyring fra metallkjøleribben til PCB-kobberlaget. Noen moduler bruker i dag lavere svitsjefrekvenser for svitsjmodus-strømforsyninger og store passive komponenter. For spenningskonverteringen og hvilestrømmen som driver den interne kretsen, er effektiviteten til den lineære regulatoren relativt lav.
Etter hvert som funksjonene blir flere, blir ytelsen høyere og høyere, og enhetsdesignen blir stadig mer kompakt. På dette tidspunktet blir simulering av varmespredning på IC-nivå og systemnivå veldig viktig.
Arbeidsmiljøtemperaturen for noen applikasjoner er 70 til 125 °C, og temperaturen i noen applikasjoner i die-størrelse er til og med så høy som 140 °C. For disse applikasjonene er uavbrutt drift av systemet svært viktig. Ved optimering av elektronisk design blir nøyaktig termisk analyse under forbigående og statiske verstefallsscenarier for de to ovennevnte applikasjonstypene stadig viktigere.
1. Termisk styring
Vanskeligheten med varmespredningsstyring er å redusere pakkestørrelsen og samtidig oppnå høyere varmeavledningsytelse, høyere arbeidsmiljøtemperatur og lavere budsjett for varmespredning av kobber. Høy emballasjeeffektivitet vil resultere i en høyere konsentrasjon av varmegenererende komponenter, noe som resulterer i ekstremt høye varmeflukser på IC-nivå og pakkenivå.
Faktorene som må vurderes i systemet inkluderer andre strømenheter for kretskort som kan påvirke analyseenhetens temperatur, systemplass og luftstrømdesign/-begrensninger. De tre nivåene av termisk styring som skal vurderes er: pakke, kretskort og system
Typisk varmeoverføringsvei i IC-pakke
Lave kostnader, liten formfaktor, modulintegrasjon og pakkepålitelighet er flere aspekter som må vurderes når du velger en pakke. Ettersom kostnadene blir en nøkkelfaktor, blir varmespredningsforbedringspakker basert på blyrammer stadig mer populære.
Denne typen pakke inkluderer innebygd kjøleribbe eller eksponert pute og soaking chip type pakke, som er designet for å forbedre varmeavledningsytelsen. I noen overflatemonterte pakker sveiser noen dedikerte blyrammer flere ledninger på hver side av pakken for å fungere som en varmespreder. Denne metoden gir en bedre varmeavledningsvei for varmeoverføringen av dyseputen.
2. IC og pakke varmespredning simulering
Termisk analyse krever detaljerte og nøyaktige silisiumbrikkeproduktmodeller og rom for termiske egenskaper. Halvlederleverandører gir silisiumbrikke IC varmespredning mekaniske egenskaper og emballasje, mens utstyrsprodusenter gir informasjon om modulmaterialer. Produktbrukere gir informasjon om bruksmiljøet.
Denne analysen hjelper IC-designere med å optimalisere størrelsen på strøm-FET for det verste strømforbruket i transiente og statiske driftsmoduser. I mange kraftelektroniske IC-er opptar kraft-FET en betydelig del av dyseområdet. Termisk analyse hjelper designere med å optimalisere designene sine.
Den valgte pakken eksponerer generelt deler av metallet for å gi en lav varmeavledningsimpedansbane fra silisiumbrikken til kjøleribben. De viktigste parametrene som kreves av modellen er som følger:
Silisiumbrikke størrelse sideforhold og brikketykkelse.
Området og plasseringen av kraftenheten, og eventuelle hjelpedrivkretser som genererer varme.
Tykkelsen på strømforsyningsstrukturen (dispersjonen i silisiumbrikken).
Området og tykkelsen på dyseforbindelsen der silisiumbrikken er koblet til de synlige metallputene eller metallstøtene. Kan inkludere prosentandelen av luftgapet til dyseforbindelsesmaterialet.
Området og tykkelsen på krysset mellom utsatte metallputer eller metallhumper.
Bruk formmaterialet og pakkestørrelsen til tilkoblingsledningen.
De termiske konduktivitetsegenskapene til hvert materiale som brukes i modellen må oppgis. Denne datainngangen inkluderer også temperaturavhengige endringer i alle varmeledningsegenskaper, som spesifikt inkluderer:
Silisiumbrikke termisk ledningsevne
Dysekobling, termisk ledningsevne av formmateriale
Termisk ledningsevne ved krysset mellom metallputer eller metallhumper.
Samspill mellom pakkeprodukt og PCB
En av de viktigste parametrene for varmeavledningssimulering er å bestemme den termiske motstanden fra puten til kjøleribbematerialet. Metodene for å bestemme den termiske motstanden er som følger:
Flerlags FR4 kretskort (vanligvis brukt er firelags og sekslags kretskort)
Enkeltsidig kretskort
Topp og bunn kretskort
Varmespredningen og termisk motstandsveier varierer i henhold til ulike implementeringsmetoder:
Koble til varmeavledningsputen på det interne varmeavlederpanelet eller varmeavledningshullet ved krysset mellom fremspringet. Bruk loddetinn for å koble den eksponerte termiske puten eller bump-tilkoblingen til det øverste laget av PCB.
En åpning på kretskortet under den eksponerte termiske puten eller bump-tilkoblingen, som kan kobles til den utvidede kjøleribbensbasen koblet til modulens's metallhus.
Bruk metallskruer for å koble kjøleribben til kjøleribben på det øvre eller nedre kobberlaget på PCB-en til metallskallet. Bruk loddetinn for å koble den eksponerte termiske puten eller bump-tilkoblingen til det øverste laget av PCB.
I tillegg er vekten eller tykkelsen på kobberbelegget som brukes på hvert lag av PCB, svært kritisk. Når det gjelder termisk motstandsanalyse, påvirkes lagene som er koblet til de eksponerte putene eller ujevnhetene direkte av denne parameteren. Generelt sett er dette topp-, kjøleribbe- og bunnlagene i et flerlags trykt kretskort.
I de fleste bruksområder kan det være et 2 unse kobber (2 unse kobber=2,8 mils eller 71 µm) ytre lag, og et 1 unse kobber (1 unse kobber=1,4 mils eller 35 µm) indre lag, eller alle er alle. 1 unse tungt kobberkledd lag. I forbrukerelektronikkapplikasjoner bruker noen applikasjoner til og med 0,5 unser kobber (0,5 unser kobber=0,7 mils eller 18 µm) lag.
