Netzteilkühlung zur Optimierung der Stromleistung und Kosten

Wenn die Wärme des Produktsystems zunimmt, steigt der Stromverbrauch des Systems exponentiell. Auf diese Weise wird bei der Auslegung des Stromversorgungssystems eine Lösung mit einem größeren Strom gewählt, was zwangsläufig zu einer Kostenerhöhung führt. Bis zu einem gewissen Grad werden die Kosten exponentiell steigen.

Die thermische Simulation ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung von Leistungsprodukten und der Bereitstellung von Produktmaterialrichtlinien. Die Optimierung der Modulgröße ist der Entwicklungstrend des Endgerätedesigns, das die Umwandlung des Wärmeableitungsmanagements vom Metallkühlkörper auf die PCB-Kupferschicht bewirkt. Einige Module verwenden heute niedrigere Schaltfrequenzen für Schaltnetzteile und große passive Komponenten. Für die Spannungswandlung und den Ruhestrom, der die interne Schaltung ansteuert, ist der Wirkungsgrad des Linearreglers relativ gering.

Da die Funktionen immer umfangreicher werden, wird die Leistung immer höher und das Gerätedesign wird immer kompakter. Zu diesem Zeitpunkt wird die Simulation der Wärmeableitung auf IC- und Systemebene sehr wichtig.

Die Arbeitsumgebungstemperatur einiger Anwendungen beträgt 70 bis 125 °C, und die Temperatur einiger Automobilanwendungen in Chipgröße beträgt sogar 140 °C. Für diese Anwendungen ist der unterbrechungsfreie Betrieb des Systems sehr wichtig. Bei der Optimierung elektronischer Designs wird eine genaue thermische Analyse unter transienten und statischen Worst-Case-Szenarien für die beiden oben genannten Anwendungsarten immer wichtiger.

1. Wärmemanagement

Die Schwierigkeit des Wärmeableitungsmanagements besteht darin, die Gehäusegröße zu reduzieren, während eine höhere Wärmeableitungsleistung, eine höhere Arbeitsumgebungstemperatur und ein geringeres Budget für die Kupferwärmeableitungsschicht erreicht werden. Eine hohe Packungseffizienz führt zu einer höheren Konzentration von wärmeerzeugenden Komponenten, was zu extrem hohen Wärmeströmen auf IC- und Packungsebene führt.

Zu den Faktoren, die im System berücksichtigt werden müssen, gehören andere Leistungsgeräte auf Leiterplatten, die die Temperatur des Analysegeräts, den Systemraum und die Gestaltung/Einschränkungen des Luftstroms beeinflussen können. Die drei zu berücksichtigenden Ebenen des Wärmemanagements sind: Gehäuse, Leiterplatte und System

Typischer Wärmeübertragungspfad im IC-Gehäuse

Niedrige Kosten, kleiner Formfaktor, Modulintegration und Gehäusezuverlässigkeit sind mehrere Aspekte, die bei der Auswahl eines Gehäuses berücksichtigt werden müssen. Da die Kosten zu einem entscheidenden Faktor werden, werden Wärmeableitungs-Verbesserungspakete auf Basis von Leadframes immer beliebter.

Diese Art von Gehäuse umfasst einen eingebetteten Kühlkörper oder ein freiliegendes Pad und ein Gehäuse vom Typ Soaking Chip, das die Wärmeableitungsleistung verbessert. Bei einigen oberflächenmontierten Gehäusen schweißen einige dedizierte Leiterrahmen mehrere Leiter auf jeder Seite des Gehäuses, um als Wärmeverteiler zu fungieren. Dieses Verfahren bietet einen besseren Wärmeableitungspfad für die Wärmeübertragung des Die-Pad.

2. Simulation der Wärmeableitung von IC und Gehäuse

Die thermische Analyse erfordert detaillierte und genaue Siliziumchip-Produktmodelle und die thermischen Eigenschaften des Gehäuses. Halbleiterlieferanten bieten die mechanischen Eigenschaften und das Gehäuse zur Wärmeableitung von Siliziumchip-ICs, während Gerätehersteller Informationen über Modulmaterialien bereitstellen. Produktbenutzer geben Informationen zur Nutzungsumgebung.

Diese Analyse hilft IC-Designern, die Größe des Leistungs-FET für den schlimmsten Energieverbrauch in transienten und statischen Betriebsmodi zu optimieren. In vielen leistungselektronischen ICs nimmt der Leistungs-FET einen beträchtlichen Teil der Chipfläche ein. Die thermische Analyse hilft Designern, ihre Designs zu optimieren.

Das ausgewählte Gehäuse legt im Allgemeinen einen Teil des Metalls frei, um einen Pfad mit niedriger Wärmeableitungsimpedanz vom Siliziumchip zum Kühlkörper bereitzustellen. Die für das Modell erforderlichen Schlüsselparameter sind wie folgt:

• Größenverhältnis und Chipdicke des Siliziumchips.
  

  
  

• Der Bereich und die Position des Leistungsgeräts und aller Hilfsantriebskreise, die Wärme erzeugen.

  
  

• Die Dicke der Stromversorgungsstruktur (die Dispersion im Siliziumchip).

  
  

• Die Fläche und Dicke der Chipverbindung, wo der Siliziumchip mit den freiliegenden Metallpads oder Metallbumps verbunden ist. Kann den Prozentsatz des Luftspalts des Matrizenverbindungsmaterials enthalten.

  
  

• Die Fläche und Dicke der Verbindung von freiliegenden Metallpads oder Metallbumps.

  
  

• Verwenden Sie das Formmaterial und die Packungsgröße der Anschlussleitung.

Die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften jedes im Modell verwendeten Materials müssen angegeben werden. Diese Dateneingabe umfasst auch temperaturabhängige Änderungen aller Wärmeleitungseigenschaften, zu denen insbesondere gehören:

• Wärmeleitfähigkeit des Siliziumchips
  

  
  

• Werkzeuganschluss, Wärmeleitfähigkeit des Formstoffs

  
  

• Wärmeleitfähigkeit an der Verbindung von Metallpads oder Metallbumps.

  
  

• Interaktion zwischen Verpackungsprodukt und PCB

Einer der wichtigsten Parameter der Wärmeableitungssimulation ist die Bestimmung des Wärmewiderstands vom Pad zum Kühlkörpermaterial. Die Methoden zur Bestimmung des Wärmewiderstands sind wie folgt:

• Mehrschichtige FR4-Leiterplatte (üblicherweise werden vierschichtige und sechsschichtige Leiterplatten verwendet)
  

  
  

• Single-Ended-Platine

  
  

• Leiterplatten oben und unten

  
  

Die Wärmeableitungs- und Wärmewiderstandspfade variieren je nach verschiedenen Implementierungsmethoden:

An das Wärmeableitungspad der internen Kühlkörperplatte oder das Wärmeableitungsloch an der Verbindungsstelle des Vorsprungs anschließen. Verwenden Sie Lötzinn, um das freiliegende Wärmeleitpad oder die Bump-Verbindung mit der oberen Schicht der Leiterplatte zu verbinden.

Eine Öffnung auf der Platine unterhalb des freiliegenden Wärmeleitpads oder der Bump-Verbindung, die mit dem erweiterten Kühlkörpersockel verbunden werden kann, der mit dem Metallgehäuse des Moduls' verbunden ist.

Verwenden Sie Metallschrauben, um den Kühlkörper mit dem Kühlkörper auf der oberen oder unteren Kupferschicht der Platine des Metallgehäuses zu verbinden. Verwenden Sie Lötzinn, um das freiliegende Wärmeleitpad oder die Bump-Verbindung mit der oberen Schicht der Leiterplatte zu verbinden.

Darüber hinaus ist das Gewicht oder die Dicke der Kupferplattierung, die auf jeder Schicht der PCB verwendet wird, sehr kritisch. Hinsichtlich der thermischen Widerstandsanalyse werden die mit den exponierten Pads oder Bumps verbundenen Schichten direkt von diesem Parameter beeinflusst. Im Allgemeinen sind dies die obere, der Kühlkörper und die untere Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte.

Bei den meisten Anwendungen kann es sich um eine Außenschicht von 2 Unzen (2 Unzen Kupfer=2,8 mil oder 71 µm) und eine Innenschicht mit 1 Unze Kupfer (1 Unze Kupfer=1,4 mil oder 35 µm) oder alle 1 Unze schwere kupferplattierte Schicht. In Anwendungen der Unterhaltungselektronik verwenden einige Anwendungen sogar eine Schicht von 0,5 Unzen Kupfer (0,5 Unzen Kupfer=0,7 mil oder 18 µm).