電源冷却の回路性能とコストを最適化する方法

製品システムの熱が増加すると、システムの消費電力が指数関数的に増加するため、電力システムを設計する際には、より大きな電流のソリューションが選択され、必然的にコストの増加につながります。 ある時点で、コストは指数関数的に増加します。 電源装置の冷却設計とシミュレーションに関する記事を紹介します。

熱シミュレーションは、パワー製品を開発し、製品材料のガイドラインを提供する上で重要な部分です。 モジュールのフォームファクタを最適化することは、端末機器の設計における開発トレンドであり、金属製のヒートシンクから PCB の銅層の熱管理に切り替えるという問題をもたらします。 今日のモジュールの中には、スイッチモード電源や大型の受動部品に低いスイッチング周波数を使用するものがあります。 リニア レギュレータは、内部回路を駆動する電圧変換と静止電流の効率が低下します。

デバイス設計がより機能豊富になり、性能が向上し、デバイス設計がよりコンパクトになるにつれて、IC レベルおよびシステム レベルでの熱シミュレーションが重要になります。

一部のアプリケーションは 70 ～ 125 度の周囲温度で動作し、一部のダイサイズの自動車アプリケーションは 140 度の高温に達する可能性があり、中断のないシステム動作が重要です。 電子設計を最適化する際には、両方のタイプのアプリケーションに対する正確な過渡および静的最悪ケースの熱解析がますます重要になっています。

熱管理

熱管理の課題は、より高い熱性能、より高い動作周囲温度、および銅熱層の予算を削減しながら、パッケージ サイズを縮小することです。 パッケージング効率が高いと、発熱コンポーネントが集中し、IC およびパッケージ レベルで非常に高い熱流束が発生します。

システムで考慮すべき要因には、分析デバイスの温度、システム スペース、およびエアフローの設計/制限に影響を与える可能性のある他のプリント回路基板の電源デバイスが含まれます。 熱管理で考慮すべき要素は、パッケージ、ボード、およびシステムの 3 つです。

低コスト、小型フォーム ファクタ、モジュールの統合、およびパッケージの信頼性は、パッケージを選択する際に考慮すべきいくつかの側面です。 コストが重要な考慮事項になるにつれて、リードフレームベースの熱的に強化されたパッケージが人気を集めています。 このパッケージには、熱性能を向上させるように設計された組み込みヒートシンクまたはエクスポーズド パッドとヒート スプレッダー タイプのパッケージが含まれます。 一部の表面実装パッケージでは、特殊なリード フレームに複数のリードがパッケージの各面に融着されており、ヒート スプレッダとして機能します。 このアプローチにより、ダイ パッドからの熱伝達により優れた放熱経路が提供されます。

ICおよびパッケージの熱シミュレーション

熱解析には、詳細で正確なシリコン ダイ製品モデルとエンクロージャの熱特性が必要です。 半導体サプライヤーはシリコン IC の熱機械特性とパッケージングを提供し、機器メーカーはモジュール材料に関する情報を提供します。 製品利用者は、使用環境情報を提供します。

この分析は、IC 設計者が過渡および静止動作モードでの最悪の場合の電力消費に合わせてパワー FET の寸法を最適化するのに役立ちます。 多くのパワー エレクトロニクス IC では、パワー FET がダイ面積の大部分を占めています。 熱解析は、設計者が設計を最適化するのに役立ちます。

選択されたパッケージは通常、金属の一部を露出させて、シリコン ダイからヒートシンクへの低熱インピーダンス パスを提供します。 モデルに必要な主要なパラメーターは次のとおりです。

シリコン ダイ サイズのアスペクト比とダイの厚さ。

電源装置の領域と位置、および熱を発生する補助ドライバー回路。

電力構造の厚さ (シリコン チップ内の分散)。

露出した金属パッドまたは金属バンプにシリコン ダイが接続されるダイ接続領域と厚さ。 ダイアタッチ材料のエア ギャップのパーセンテージが含まれる場合があります。

露出した金属パッドまたは金属バンプ接続の面積と厚さ。

成形材料と接続リードを使用したパッケージ サイズ。

モデルで使用される各材料の熱伝導特性が必要です。 このデータ入力には、以下を含むすべての熱伝達特性の温度依存の変化も含まれます。

シリコンチップの熱伝導率

ダイアタッチ、成形材料の熱伝導率

金属パッドまたは金属バンプの接続部の熱伝導率。

パッケージ タイプ (packageproduct) と PCB の相互作用

熱シミュレーションの重要なパラメータは、パッドからヒートシンク材料までの熱抵抗を決定することです。これは、次の方法で決定できます。

多層 FR4 基板 (4 層および 6 層基板が一般的)

シングルエンド回路基板

上下板

熱および熱抵抗経路は実装によって異なります。

内部ヒートシンク パネルのサーマル パッドまたはバンプ接続のサーマル ビアに接続します。 はんだを使用して、露出したサーマル パッドまたはバンプ接続を PCB の最上層に接続します。

モジュールの金属筐体に取り付けられた突き出たヒートシンクのベースに接続できる、露出したサーマル パッドまたはバンプ接続の下の PCB の開口部。

金属ネジを使用して、金属ケースの PCB の上部または下部の銅層のヒートシンクにヒートシンクを取り付けます。 はんだを使用して、露出したサーマル パッドまたはバンプ接続を PCB の最上層に接続します。

また、PCB の各層に使用される銅メッキの重量または厚さも重要です。 熱抵抗解析では、露出パッドまたはバンプ接続に接続されたレイヤーは、このパラメーターの影響を直接受けます。 一般的に言えば、これは多層プリント回路基板の最上層、ヒートシンク、および最下層です。

ほとんどのアプリケーションでは、これは 2 オンスの銅 (2 オンスの銅=2.8 ミルまたは 71 µm) 外層と 1 オンスの銅 (1 オンスの銅=1.4 ミルまたは 35 µm) です。内層、またはすべて 両方とも 1 オンスの銅層です。 民生用電子機器の用途では、{{10}}.5 オンスの銅 (0.5 オンスの銅=0.7 ミルまたは 18 µm) 層を使用するものさえあります。

モデルデータ

ダイ温度をシミュレートするには、パッケージのはんだ付けガイドラインに準拠するために、ダイ上のすべてのパワー FET とそれらの実際の位置を含む IC フロア プランが必要です。

各 FET のサイズとアスペクト比は、熱分布にとって重要です。 考慮すべきもう 1 つの重要な要素は、FET の電源を同時に投入するか、順番に投入するかです。 モデルの精度は、使用する物理データと材料特性によって異なります。

モデルの静的または平均出力解析では短い計算時間が必要であり、最高温度が記録されると収束が発生します。

過渡解析には、電力対時間のデータが必要です。 スイッチング電源の場合よりも優れた分解能ステップを使用してデータを記録し、高速電力パルス中のピーク温度上昇を正確に捉えました。 通常、この解析には時間がかかり、スタティック消費電力シミュレーションよりも多くのデータ入力が必要になります。

このモデルは、ダイ取り付け領域のエポキシ ボイド、または PCB ヒートシンクのめっきボイドをシミュレートします。 どちらの場合も、エポキシ/メッキのボイドがパッケージの熱抵抗に影響を与える可能性があります。

熱シミュレーションは、パワー製品の開発において重要な部分です。 さらに、シリコン チップの FET ジャンクションから製品へのさまざまな材料の実装まで、熱抵抗パラメータの設定をガイドします。 さまざまな熱抵抗経路が理解されると、多くのシステムをすべてのアプリケーションに最適化できます。

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