Virtalähteen jäähdytys tehon ja kustannusten optimoimiseksi
Kun tuotejärjestelmän lämpö kasvaa, järjestelmän tehonkulutus kasvaa eksponentiaalisesti. Näin tehonsyöttöjärjestelmää suunniteltaessa valitaan suuremmalla virralla oleva ratkaisu, mikä väistämättä johtaa kustannusten nousuun. Tietyssä määrin kustannukset nousevat eksponentiaalisesti.
Lämpösimulaatio on tärkeä osa tehotuotteiden kehittämistä ja tuotemateriaaliohjeistusta. Moduulin koon optimointi on päätelaitesuunnittelun kehitystrendi, joka saa aikaan lämmönpoiston hallinnan muuntamisen metallista jäähdytyslevystä piirilevyn kuparikerrokseen. Jotkut moduulit käyttävät nykyään matalampia kytkentätaajuuksia hakkuriteholähteissä ja suurissa passiivisissa komponenteissa. Lineaarisen säätimen hyötysuhde on suhteellisen alhainen jännitteen muunnokselle ja sisäistä piiriä ohjaaville lepovirralle.
Kun toiminnot lisääntyvät, suorituskyky paranee ja laitesuunnittelusta tulee entistä kompaktimpi. Tällä hetkellä IC-tason ja järjestelmätason lämmönpoistosimulaatiosta tulee erittäin tärkeä.
Joidenkin sovellusten työympäristön lämpötila on 70-125 °C ja joidenkin muottikokoisten autosovellusten lämpötila jopa 140 °C. Näissä sovelluksissa järjestelmän keskeytymätön toiminta on erittäin tärkeää. Elektroniikkasuunnittelua optimoitaessa tarkka lämpöanalyysi transienttien ja staattisten pahimpien mahdollisten skenaarioiden alla on tulossa yhä tärkeämmäksi edellä mainituille kahdelle sovellukselle.
1. Lämmönhallinta
Lämmönpoiston hallinnan vaikeus on pienentää pakkauksen kokoa samalla kun saavutetaan korkeampi lämmönpoistokyky, korkeampi työympäristön lämpötila ja pienempi kuparilämpöhäviökerroksen budjetti. Korkea pakkaustehokkuus johtaa lämpöä tuottavien komponenttien korkeampiin pitoisuuksiin, mikä johtaa erittäin suuriin lämpövirtoihin IC-tasolla ja pakkaustasolla.
Järjestelmässä huomioitavia tekijöitä ovat muut piirilevyn teholaitteet, jotka voivat vaikuttaa analyysilaitteen lämpötilaan, järjestelmätilaan ja ilmavirran suunnitteluun/rajoituksiin. Kolme huomioon otettavaa lämmönhallinnan tasoa ovat: paketti, piirilevy ja järjestelmä
Tyypillinen lämmönsiirtopolku IC-paketissa
Alhaiset kustannukset, pieni muoto, moduulien integrointi ja paketin luotettavuus ovat useita näkökohtia, jotka on otettava huomioon pakettia valittaessa. Kun kustannuksista tulee avaintekijä, lyijykehyksiin perustuvat lämmönpoiston tehostuspaketit ovat tulossa yhä suositummiksi.
Tällainen paketti sisältää upotetun jäähdytyselementin tai paljaan tyynyn ja liotuslastutyyppisen paketin, joka on suunniteltu parantamaan lämmönpoistokykyä. Joissakin pinta-asennuspakkauksissa jotkin erilliset johtokehykset hitsaavat useita johtoja pakkauksen kummallekin puolelle toimimaan lämmönlevittimenä. Tämä menetelmä tarjoaa paremman lämmönpoistopolun muottityynyn lämmönsiirtoon.
2. IC ja paketin lämmönpoiston simulointi
Lämpöanalyysi vaatii yksityiskohtaisia ja tarkkoja piisirutuotemalleja ja kotelon lämpöominaisuuksia. Puolijohdetoimittajat tarjoavat piisirun IC-lämmönpoiston mekaanisia ominaisuuksia ja pakkauksia, kun taas laitevalmistajat tarjoavat tietoa moduulien materiaaleista. Tuotteen käyttäjät antavat tietoa käyttöympäristöstä.
Tämä analyysi auttaa IC-suunnittelijoita optimoimaan FET-tehon koon pahimman mahdollisen virrankulutuksen mukaan transientti- ja staattisissa toimintatiloissa. Monissa tehoelektroniikan IC:issä teho-FET vie huomattavan osan muottialueesta. Lämpöanalyysi auttaa suunnittelijoita optimoimaan suunnittelunsa.
Valittu pakkaus paljastaa yleensä osan metallista alhaisen lämmönpoistoimpedanssin aikaansaamiseksi piisirun ja jäähdytyselementin välillä. Mallin edellyttämät keskeiset parametrit ovat seuraavat:
Piisirun koon sivusuhde ja sirun paksuus.
Teholaitteen alue ja sijainti sekä mahdolliset lämpöä tuottavat apukäyttöpiirit.
Virtalähteen rakenteen paksuus (dispersio piisirussa).
Suulakeliitoksen pinta-ala ja paksuus, jossa piisiru on liitetty paljaisiin metallityynyihin tai metallikuppiin. Saattaa sisältää prosenttiosuuden muotin liitosmateriaalin ilmaraosta.
Paljastuneiden metallityynyjen tai metallikuppien liitoskohdan alue ja paksuus.
Käytä muottimateriaalia ja liitäntäjohdon pakkauskokoa.
Jokaisen mallissa käytetyn materiaalin lämmönjohtavuusominaisuudet on ilmoitettava. Tämä tietosyöte sisältää myös lämpötilasta riippuvat muutokset kaikissa lämmönjohtavuusominaisuuksissa, joita ovat erityisesti:
Piisirun lämmönjohtavuus
Muottiliitos, muotin materiaalin lämmönjohtavuus
Lämmönjohtavuus metallityynyjen tai metallikuppien risteyksessä.
Vuorovaikutus pakkaustuotteen ja piirilevyn välillä
Yksi lämmönpoistosimuloinnin tärkeimmistä parametreista on määrittää lämpövastus tyynystä jäähdytyselementin materiaaliin. Lämpövastuksen määritysmenetelmät ovat seuraavat:
Monikerroksinen FR4-piirilevy (yleisesti käytettyjä nelikerroksisia ja kuusikerroksisia piirilevyjä)
Yksipäinen piirilevy
Ylä- ja alapiirilevyt
Lämmönpoisto- ja lämpövastusreitit vaihtelevat eri toteutusmenetelmien mukaan:
Liitä sisäisen jäähdytyslevypaneelin lämmönpoistotyynyyn tai ulkoneman liitoskohdassa olevaan lämmönpoistoreikään. Käytä juotetta liittääksesi paljaan lämpötyynyn tai nystyliittimen piirilevyn yläkerrokseen.
Piirilevyssä oleva aukko esillä olevan lämpötyynyn tai nystykytkennän alapuolella, joka voidaan liittää moduulin' metallikoteloon liitettyyn laajennettuun jäähdytyselementin alustaan.
Käytä metalliruuveja yhdistämään jäähdytyselementti metallikuoren piirilevyn ylä- tai alaosan kuparikerroksen jäähdytyselementtiin. Käytä juotetta liittääksesi paljaan lämpötyynyn tai nystyliittimen piirilevyn yläkerrokseen.
Lisäksi kullakin piirilevykerroksella käytetyn kuparipinnoitteen paino tai paksuus on erittäin kriittinen. Lämpövastusanalyysin kannalta tämä parametri vaikuttaa suoraan paljaisiin tyynyihin tai kuoppiin liitettyihin kerroksiin. Yleisesti ottaen nämä ovat monikerroksisen painetun piirilevyn ylä-, jäähdytyslevy- ja alakerrokset.
Useimmissa sovelluksissa se voi olla kahden unssin kuparia (2 unssia kuparia=2,8 mil tai 71 µm) ulkokerros ja 1 unssin kuparia (1 unssi kuparia=1,4 mil tai 35 µm) sisäkerros tai kaikki kaikki ovat 1 unssin paksu kuparipäällysteinen kerros. Kulutuselektroniikkasovelluksissa joissakin sovelluksissa käytetään jopa 0,5 unssia kuparia (0,5 unssia kuparia=0,7 mil tai 18 µm).
