Refroidissement de l'alimentation pour optimiser les performances et le coût de l'alimentation
Lorsque la chaleur du système du produit augmente, la consommation électrique du système augmente de façon exponentielle. De cette façon, lors de la conception du système d'alimentation, une solution avec un courant plus important sera sélectionnée, ce qui entraînera inévitablement une augmentation des coûts. Dans une certaine mesure, le coût augmentera de façon exponentielle.
La simulation thermique est une partie importante du développement de produits énergétiques et de la fourniture de directives sur les matériaux des produits. L'optimisation de la taille du module est la tendance de développement de la conception des équipements terminaux, qui entraîne la conversion de la gestion de la dissipation thermique du dissipateur thermique métallique à la couche de cuivre PCB. Certains modules utilisent aujourd'hui des fréquences de commutation plus basses pour les alimentations à découpage et les gros composants passifs. Pour la conversion de tension et le courant de repos entraînant le circuit interne, l'efficacité du régulateur linéaire est relativement faible.
Au fur et à mesure que les fonctions deviennent plus abondantes, les performances deviennent de plus en plus élevées et la conception de l'appareil devient de plus en plus compacte. À ce stade, la simulation de la dissipation thermique au niveau du circuit intégré et au niveau du système devient très importante.
La température de l'environnement de travail de certaines applications est de 70 à 125°C, et la température de certaines applications automobiles de taille de matrice est même aussi élevée que 140°C. Pour ces applications, le fonctionnement ininterrompu du système est très important. Lors de l'optimisation des conceptions électroniques, une analyse thermique précise dans les pires scénarios transitoires et statiques pour les deux types d'applications ci-dessus devient de plus en plus importante.
1. Gestion thermique
La difficulté de la gestion de la dissipation thermique est de réduire la taille de l'emballage tout en obtenant des performances de dissipation thermique plus élevées, une température d'environnement de travail plus élevée et un budget de couche de dissipation thermique en cuivre plus faible. Une efficacité de conditionnement élevée se traduira par une concentration plus élevée de composants générateurs de chaleur, ce qui entraînera des flux de chaleur extrêmement élevés au niveau du circuit intégré et au niveau du boîtier.
Les facteurs qui doivent être pris en compte dans le système incluent d'autres dispositifs d'alimentation de carte de circuit imprimé qui peuvent affecter la température du dispositif d'analyse, l'espace du système et la conception/les restrictions du débit d'air. Les trois niveaux de gestion thermique à considérer sont : boîtier, circuit imprimé et système
Chemin de transfert de chaleur typique dans le boîtier IC
Faible coût, petit facteur de forme, intégration de modules et fiabilité du package sont plusieurs aspects qui doivent être pris en compte lors du choix d'un package. Alors que le coût devient un facteur clé, les packages d'amélioration de la dissipation thermique basés sur des grilles de connexion deviennent de plus en plus populaires.
Ce type de boîtier comprend un dissipateur thermique intégré ou un boîtier de type tampon exposé et puce de trempage, conçu pour améliorer les performances de dissipation thermique. Dans certains boîtiers à montage en surface, certains cadres de connexion dédiés soudent plusieurs fils de chaque côté du boîtier pour fonctionner comme un dissipateur de chaleur. Cette méthode fournit un meilleur chemin de dissipation thermique pour le transfert de chaleur du tampon de matrice.
2. Simulation de dissipation thermique IC et emballage
L'analyse thermique nécessite des modèles de puces de silicium détaillés et précis et des propriétés thermiques du boîtier. Les fournisseurs de semi-conducteurs fournissent les propriétés mécaniques et l'emballage des circuits intégrés de dissipation thermique des puces de silicium, tandis que les fabricants d'équipements fournissent des informations sur les matériaux des modules. Les utilisateurs du produit fournissent des informations sur l'environnement d'utilisation.
Cette analyse aide les concepteurs de circuits intégrés à optimiser la taille du FET de puissance pour la consommation électrique la plus défavorable dans les modes de fonctionnement transitoires et statiques. Dans de nombreux circuits intégrés électroniques de puissance, le FET de puissance occupe une partie considérable de la surface de la puce. L'analyse thermique aide les concepteurs à optimiser leurs conceptions.
Le boîtier sélectionné expose généralement une partie du métal pour fournir un chemin d'impédance de dissipation thermique faible de la puce de silicium au dissipateur thermique. Les paramètres clés requis par le modèle sont les suivants :
Rapport d'aspect et épaisseur de la puce de silicium.
La zone et l'emplacement du dispositif d'alimentation et de tout circuit d'entraînement auxiliaire qui génère de la chaleur.
L'épaisseur de la structure d'alimentation (la dispersion dans la puce de silicium).
La zone et l'épaisseur de la connexion de la puce où la puce de silicium est connectée aux plots métalliques exposés ou aux bosses métalliques. Peut inclure le pourcentage de l'entrefer du matériau de connexion de la matrice.
La zone et l'épaisseur de la jonction des plaquettes métalliques exposées ou des bosses métalliques.
Utilisez le matériau du moule et la taille de l'emballage du câble de connexion.
Les propriétés de conductivité thermique de chaque matériau utilisé dans le modèle doivent être fournies. Cette entrée de données inclut également les changements dépendant de la température dans toutes les propriétés de conduction thermique, qui incluent spécifiquement :
Conductivité thermique des puces de silicium
Connexion de matrice, conductivité thermique du matériau du moule
Conductivité thermique à la jonction de plots métalliques ou de bosses métalliques.
Interaction entre le produit d'emballage et le PCB
L'un des paramètres les plus importants de la simulation de dissipation thermique est de déterminer la résistance thermique de la pastille au matériau du dissipateur thermique. Les méthodes de détermination de la résistance thermique sont les suivantes :
Circuit imprimé multicouche FR4 (les circuits imprimés à quatre et six couches sont couramment utilisés)
Circuit imprimé asymétrique
Circuits imprimés supérieur et inférieur
Les chemins de dissipation thermique et de résistance thermique varient selon différents modes de mise en œuvre :
Connectez-vous au coussin de dissipation de chaleur du panneau du dissipateur de chaleur interne ou au trou de dissipation de chaleur à la jonction de la saillie. Utilisez de la soudure pour connecter le tampon thermique exposé ou la connexion par bosse à la couche supérieure du PCB.
Une ouverture sur le PCB sous le tampon thermique exposé ou la connexion de bosse, qui peut être connectée à la base du dissipateur thermique étendu connectée au boîtier métallique du module'.
Utilisez des vis métalliques pour connecter le dissipateur thermique au dissipateur thermique sur la couche de cuivre supérieure ou inférieure du PCB de la coque métallique. Utilisez de la soudure pour connecter le tampon thermique exposé ou la connexion par bosse à la couche supérieure du PCB.
De plus, le poids ou l'épaisseur du placage de cuivre utilisé sur chaque couche du PCB est très critique. En termes d'analyse de résistance thermique, les couches connectées aux plots ou bosses exposés sont directement affectées par ce paramètre. De manière générale, il s'agit des couches supérieure, du dissipateur thermique et inférieure d'une carte de circuit imprimé multicouche.
Dans la plupart des applications, il peut s'agir d'une couche extérieure de cuivre de deux onces (2 onces de cuivre=2,8 mils ou 71 µm) et d'une couche intérieure de 1 once de cuivre (1 once de cuivre=1,4 mils ou 35 µm), ou tous sont 1 once de couche de cuivre épais. Dans les applications électroniques grand public, certaines applications utilisent même une couche de 0,5 once de cuivre (0,5 once de cuivre=0,7 mils ou 18 µm).
