Hlađenje napajanja radi optimizacije performansi i troškova
Kada se toplota sistema proizvoda poveća, potrošnja energije sistema će se eksponencijalno povećati. Na taj način će se prilikom projektovanja sistema napajanja izabrati rešenje sa većom strujom, a to će neminovno dovesti do povećanja troškova. U određenoj mjeri, trošak će se eksponencijalno povećati.
Toplotna simulacija je važan dio razvoja energetskih proizvoda i pružanja smjernica za materijal proizvoda. Optimizacija veličine modula je razvojni trend dizajna terminalne opreme, koji dovodi do konverzije upravljanja disipacijom toplote sa metalnog hladnjaka na bakarni sloj PCB-a. Neki moduli danas koriste niže frekvencije prebacivanja za napajanje u prekidačkom režimu i velike pasivne komponente. Za konverziju napona i struju mirovanja koja pokreće unutrašnje kolo, efikasnost linearnog regulatora je relativno niska.
Kako funkcija postaje sve više, performanse postaju sve veće, a dizajn uređaja postaje sve kompaktniji. U ovom trenutku, simulacija rasipanja toplote na nivou IC-a i na nivou sistema postaje veoma važna.
Temperatura radnog okruženja za neke aplikacije je 70 do 125°C, a temperatura u nekim automobilskim aplikacijama veličine matrice je čak i do 140°C. Za ove aplikacije je veoma važan nesmetan rad sistema. Prilikom optimizacije elektronskih dizajna, precizna termička analiza u prolaznim i statičkim najgorim scenarijima za gornja dva tipa aplikacija postaje sve važnija.
1. Upravljanje toplinom
Poteškoća upravljanja rasipanjem toplote je smanjenje veličine paketa uz postizanje veće performanse odvođenja toplote, više temperature radnog okruženja i nižeg budžeta sloja za rasipanje bakra. Visoka efikasnost pakovanja će rezultirati većom koncentracijom komponenti koje stvaraju toplotu, što će rezultirati ekstremno visokim toplotnim tokovima na nivou IC i paketa.
Faktori koje treba uzeti u obzir u sistemu uključuju druge uređaje za napajanje štampanih ploča koji mogu uticati na temperaturu uređaja za analizu, prostor sistema i dizajn/ograničenja protoka vazduha. Tri nivoa upravljanja toplotom koja treba uzeti u obzir su: paket, ploča i sistem
Tipičan put prijenosa topline u IC paketu
Niska cijena, mali faktor oblika, integracija modula i pouzdanost paketa nekoliko su aspekata koje treba uzeti u obzir pri odabiru paketa. Kako cijena postaje ključno razmatranje, paketi za poboljšanje disipacije topline bazirani na olovnim okvirima postaju sve popularniji.
Ova vrsta paketa uključuje ugrađeni hladnjak ili izloženi jastučić i paket tipa čipa za namakanje, koji je dizajniran da poboljša performanse odvođenja topline. U nekim paketima za površinsku montažu, neki namjenski olovni okviri zavaruju nekoliko vodova sa svake strane paketa kako bi funkcionirali kao raspršivač topline. Ova metoda osigurava bolji put odvođenja topline za prijenos topline matrice.
2. Simulacija odvođenja topline IC i paketa
Termička analiza zahtijeva detaljne i precizne modele proizvoda sa silikonskim čipom i termičke karakteristike kućišta. Dobavljači poluprovodnika obezbeđuju mehanička svojstva i ambalažu za rasipanje toplote IC silicijumskim čipom, dok proizvođači opreme pružaju informacije o materijalima modula. Korisnici proizvoda pružaju informacije o okruženju upotrebe.
Ova analiza pomaže dizajnerima IC-a da optimizuju veličinu FET-a snage za najgore potrošnju energije u prolaznim i statičkim režimima rada. U mnogim energetskim elektronskim IC-ima, FET snage zauzima značajan dio područja matrice. Termička analiza pomaže dizajnerima da optimiziraju svoje dizajne.
Odabrani paket općenito izlaže dio metala kako bi se osigurala niska impedancija rasipanje topline od silikonskog čipa do hladnjaka. Ključni parametri koje model zahtijeva su sljedeći:
Omjer veličine silikonskog čipa i debljina čipa.
Područje i lokacija uređaja za napajanje i svih pomoćnih pogonskih krugova koji stvaraju toplinu.
Debljina strukture napajanja (disperzija u silikonskom čipu).
Područje i debljina spoja matrice gdje je silikonski čip povezan s izloženim metalnim jastučićima ili metalnim izbočinama. Može uključivati postotak zračnog raspora materijala za spajanje matrice.
Područje i debljina spoja izloženih metalnih jastučića ili metalnih izbočina.
Koristite materijal kalupa i veličinu pakovanja priključnog kabla.
Svojstva toplinske provodljivosti svakog materijala koji se koristi u modelu moraju se navesti. Ovaj unos podataka također uključuje temperaturno zavisne promjene u svim svojstvima provodljivosti topline, što posebno uključuje:
Toplotna provodljivost silikonskog čipa
Spoj matrice, toplinska provodljivost materijala kalupa
Toplotna provodljivost na spoju metalnih jastučića ili metalnih izbočina.
Interakcija između proizvoda paketa i PCB-a
Jedan od najvažnijih parametara simulacije disipacije toplote je određivanje toplotnog otpora od jastučića prema materijalu hladnjaka. Metode za određivanje termičke otpornosti su sljedeće:
Višeslojna FR4 ploča (često se koriste četveroslojne i šestoslojne ploče)
Jednostruka strujna ploča
Gornja i donja strujna ploča
Putevi odvođenja topline i toplinskog otpora variraju u zavisnosti od različitih metoda implementacije:
Spojite na podlogu za rasipanje toplote unutrašnje ploče hladnjaka ili na otvor za rasipanje toplote na spoju izbočine. Upotrijebite lem za spajanje izložene termalne pločice ili bump veze na gornji sloj PCB-a.
Otvor na PCB-u ispod izložene termalne pločice ili bump veze, koji se može spojiti na proširenu bazu hladnjaka spojenu na metalno kućište modula'.
Koristite metalne zavrtnje da spojite hladnjak sa hladnjakom na gornjem ili donjem bakrenom sloju PCB-a metalne školjke. Upotrijebite lem za spajanje izložene termalne pločice ili bump veze na gornji sloj PCB-a.
Osim toga, težina ili debljina bakrene ploče koja se koristi na svakom sloju PCB-a je vrlo kritična. U smislu analize termičke otpornosti, ovaj parametar direktno utiče na slojeve koji su povezani sa izloženim jastučićima ili izbočinama. Uopšteno govoreći, ovo su gornji, hladnjak i donji sloj u višeslojnoj štampanoj ploči.
U većini primjena, to može biti vanjski sloj od dvije unce (2 unce bakra=2,8 mils ili 71 µm) i unutarnji sloj od 1 unce (1 unca bakra=1,4 mils ili 35 µm), ili sve su 1 unca težak sloj obložen bakrom. U aplikacijama potrošačke elektronike, neke aplikacije čak koriste sloj od 0,5 unci bakra (0,5 unci bakra=0,7 mil ili 18 µm).
