Strømforsyningskøling for at optimere strømydelsen og omkostningerne
Når varmen i produktsystemet stiger, vil systemets strømforbrug stige eksponentielt. På denne måde vil der ved design af strømforsyningssystemet blive valgt en løsning med en større strøm, og dette vil uundgåeligt føre til en stigning i omkostningerne. Til en vis grad vil omkostningerne stige eksponentielt.
Termisk simulering er en vigtig del af udviklingen af strømprodukter og levere retningslinjer for produktmateriale. Optimering af modulets størrelse er udviklingstendensen inden for terminaludstyrsdesign, som medfører konvertering af varmeafledningsstyringen fra metalkølepladen til PCB-kobberlaget. Nogle moduler bruger i dag lavere switch-frekvenser til switch-mode strømforsyninger og store passive komponenter. For spændingskonverteringen og hvilestrømmen, der driver det interne kredsløb, er effektiviteten af den lineære regulator relativt lav.
Efterhånden som funktionerne bliver flere, bliver ydeevnen højere og højere, og enhedens design bliver mere og mere kompakt. På dette tidspunkt bliver varmeafledningssimulering på IC-niveau og systemniveau meget vigtig.
Arbejdsmiljøtemperaturen i nogle applikationer er 70 til 125°C, og temperaturen i nogle applikationer i die-størrelse bilindustrien er endda så høj som 140°C. For disse applikationer er uafbrudt drift af systemet meget vigtig. Ved optimering af elektroniske design bliver nøjagtig termisk analyse under forbigående og statiske worst-case scenarier for de ovennævnte to typer applikationer stadig vigtigere.
1. Termisk styring
Vanskeligheden ved varmeafledningsstyring er at reducere pakkestørrelsen og samtidig opnå højere varmeafledningsydelse, højere arbejdsmiljøtemperatur og lavere kobbervarmeafledningslagsbudget. Høj emballeringseffektivitet vil resultere i en højere koncentration af varmegenererende komponenter, hvilket resulterer i ekstremt høje varmefluxer på IC-niveau og pakkeniveau.
De faktorer, der skal tages i betragtning i systemet, omfatter andre strømforsyningsenheder med printkort, som kan påvirke analyseenhedens temperatur, systemplads og luftstrømsdesign/-begrænsninger. De tre niveauer af termisk styring, der skal overvejes, er: pakke, printkort og system
Typisk varmeoverførselsvej i IC-pakke
Lave omkostninger, lille formfaktor, modulintegration og pakkepålidelighed er flere aspekter, der skal overvejes, når du vælger en pakke. Efterhånden som omkostninger bliver en vigtig overvejelse, bliver varmeafledningsforbedringspakker baseret på blyrammer stadig mere populære.
Denne type pakke inkluderer indlejret køleplade eller blotlagt pude og iblødsætningschip type pakke, som er designet til at forbedre varmeafledningsevnen. I nogle overflademonterede pakker svejser nogle dedikerede ledningsrammer flere ledninger på hver side af pakken for at fungere som varmespreder. Denne metode giver en bedre varmeafledningsvej til varmeoverførslen af matricepuden.
2. IC og pakke varmeafledning simulering
Termisk analyse kræver detaljerede og nøjagtige siliciumchipproduktmodeller og rummer termiske egenskaber. Halvlederleverandører giver siliciumchip IC varmeafledning mekaniske egenskaber og emballage, mens udstyrsproducenter giver information om modulmaterialer. Produktbrugere giver oplysninger om brugsmiljøet.
Denne analyse hjælper IC-designere med at optimere størrelsen af effekt-FET'en til det værste tilfælde strømforbrug i transiente og statiske driftstilstande. I mange strømelektroniske IC'er optager power-FET'en en betydelig del af matricearealet. Termisk analyse hjælper designere med at optimere deres design.
Den valgte pakke blotlægger generelt en del af metallet for at give en lav varmeafledningsimpedansbane fra siliciumchippen til kølelegemet. De nøgleparametre, som modellen kræver, er som følger:
Silicium chip størrelse aspektforhold og chip tykkelse.
Området og placeringen af strømforsyningen og eventuelle hjælpedrevkredsløb, der genererer varme.
Tykkelsen af strømforsyningsstrukturen (spredningen i siliciumchippen).
Området og tykkelsen af matriceforbindelsen, hvor siliciumchippen er forbundet med de blotlagte metalpuder eller metalbuler. Kan inkludere procentdelen af luftspalten i formforbindelsesmaterialet.
Området og tykkelsen af krydset mellem udsatte metalpuder eller metalbuler.
Brug formmaterialet og pakkestørrelsen på tilslutningsledningen.
De termiske ledningsevneegenskaber for hvert materiale, der anvendes i modellen, skal angives. Dette datainput inkluderer også temperaturafhængige ændringer i alle varmeledningsegenskaber, som specifikt omfatter:
Silicium chip termisk ledningsevne
Matriceforbindelse, termisk ledningsevne af formmateriale
Termisk ledningsevne ved krydset mellem metalpuder eller metalbump.
Interaktion mellem pakkeprodukt og PCB
En af de vigtigste parametre for varmeafledningssimulering er at bestemme den termiske modstand fra puden til kølepladematerialet. Metoderne til at bestemme den termiske modstand er som følger:
Multi-layer FR4 printkort (almindeligvis brugt er fire-lags og seks-lags printkort)
Enkeltende printplade
Top og bund printkort
Varmeafledningen og den termiske modstandsvej varierer afhængigt af forskellige implementeringsmetoder:
Tilslut til varmeafledningspuden på det interne kølepladepanel eller varmeafledningshullet ved fremspringets samling. Brug loddemiddel til at forbinde den udsatte termiske pude eller bump-forbindelse til det øverste lag af printkortet.
En åbning på printkortet under den blotlagte termiske pude eller bump-forbindelse, som kan forbindes til den forlængede kølepladebase, der er forbundet med modulet's metalhus.
Brug metalskruer til at forbinde kølepladen til kølepladen på det øverste eller nederste kobberlag på printpladen på metalskallen. Brug loddemiddel til at forbinde den udsatte termiske pude eller bump-forbindelse til det øverste lag af printkortet.
Derudover er vægten eller tykkelsen af den kobberbelægning, der anvendes på hvert lag af PCB'en, meget kritisk. Med hensyn til termisk modstandsanalyse påvirkes de lag, der er forbundet med de blottede puder eller bump, direkte af denne parameter. Generelt er disse top-, køleplade- og bundlag i et flerlags printkort.
I de fleste applikationer kan det være et 2-ounce kobber (2 ounce kobber=2,8 mils eller 71 µm) ydre lag og et 1-ounce kobber (1 ounce kobber=1,4 mils eller 35 µm) indre lag, eller alle er alle 1 ounce tungt kobberbeklædt lag. I forbrugerelektronikapplikationer bruger nogle applikationer endda 0,5 ounces kobber (0,5 ounces kobber=0,7 mils eller 18 µm) lag.
