電力性能とコストを最適化するための電源冷却

製品システムの熱が増加すると、システムの消費電力は指数関数的に増加します。 このように、電源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。 ある程度、コストは指数関数的に増加します。

熱シミュレーションは、電力製品を開発し、製品の材料ガイドラインを提供する上で重要な部分です。 モジュールのサイズを最適化することは、端末装置設計の開発トレンドであり、これにより、熱放散管理が金属ヒートシンクからPCB銅層に変換されます。 現在、一部のモジュールは、スイッチモード電源および大型の受動部品に低いスイッチング周波数を使用しています。 内部回路を駆動する電圧変換と静止電流の場合、リニアレギュレータの効率は比較的低くなります。

機能が充実するにつれ、性能はどんどん高くなり、デバイスのデザインはますますコンパクトになります。 このとき、ICレベルおよびシステムレベルの放熱シミュレーションが非常に重要になります。

一部のアプリケーションの作業環境温度は70〜125°Cであり、一部のダイサイズの自動車アプリケーションの温度は140°Cにも達します。 これらのアプリケーションでは、システムの中断のない操作が非常に重要です。 電子設計を最適化する場合、上記の2つのタイプのアプリケーションの過渡的および静的な最悪のシナリオでの正確な熱分析がますます重要になっています。

1.熱管理

放熱管理の難しさは、より高い放熱性能、より高い作業環境温度、およびより低い銅放熱層バジェットを達成しながら、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、発熱成分の濃度が高くなり、ICレベル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。

システムで考慮する必要のある要因には、分析デバイスの温度、システムスペース、および気流の設計/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パワーデバイスが含まれます。 考慮すべき熱管理の3つのレベルは、パッケージ、回路基板、およびシステムです。

ICパッケージの典型的な熱伝達経路

低コスト、スモールフォームファクタ、モジュール統合、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る必要のある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、リードフレームに基づく熱放散強化パッケージがますます人気になっています。

この種のパッケージには、ヒートシンクまたは露出パッドが埋め込まれ、放熱性能を向上させるように設計されたソーキングチップタイプのパッケージが含まれています。 一部の表面実装パッケージでは、一部の専用リードフレームがパッケージの両側にいくつかのリードを溶接して、ヒートスプレッダとして機能します。 この方法は、ダイパッドの熱伝達のためのより良い熱放散経路を提供します。

2.ICおよびパッケージの放熱シミュレーション

熱分析には、詳細で正確なシリコンチップ製品モデルとハウジングの熱特性が必要です。 半導体サプライヤはシリコンチップICの放熱の機械的特性とパッケージを提供し、機器メーカーはモジュールの材料に関する情報を提供します。 製品ユーザーは、使用環境に関する情報を提供します。

この分析は、IC設計者が過渡および静的動作モードでの最悪の場合の消費電力に対してパワーFETのサイズ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がダイ領域のかなりの部分を占めています。 熱分析は、設計者が設計を最適化するのに役立ちます。

選択したパッケージは通常、金属の一部を露出させて、シリコンチップからヒートシンクへの低熱放散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。

• シリコンチップサイズのアスペクト比とチップの厚さ。
  

  
  

• パワーデバイスの領域と場所、および熱を発生する補助駆動回路。

  
  

• 電源構造の厚さ（シリコンチップ内の分散）。

  
  

• シリコンチップが露出した金属パッドまたは金属バンプに接続されるダイ接続の面積と厚さ。 ダイ接続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の接合部の面積と厚さ。

  
  

• 接続リードの金型材質とパッケージサイズを使用してください。

モデルで使用される各材料の熱伝導特性を提供する必要があります。 このデータ入力には、すべての熱伝導特性の温度依存性の変化も含まれます。これには、具体的には次のものが含まれます。

• シリコンチップの熱伝導率
  

  
  

• 金型接続、金型材料の熱伝導率

  
  

• 金属パッドまたは金属バンプの接合部での熱伝導率。

  
  

• パッケージ製品とPCB間の相互作用

熱放散シミュレーションの最も重要なパラメータの1つは、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。 熱抵抗の測定方法は次のとおりです。

• 多層FR4回路基板（一般的に使用されるのは4層および6層回路基板です）
  

  
  

• シングルエンド回路基板

  
  

• 上部と下部の回路基板

  
  

放熱経路と熱抵抗経路は、実装方法によって異なります。

内部ヒートシンクパネルの放熱パッドまたは突起の接合部の放熱穴に接続します。 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&＃39;の金属ケーシングに接続された拡張ヒートシンク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にあるPCBの開口部。

金属ネジを使用して、ヒートシンクを金属シェルのPCBの上部または下部の銅層のヒートシンクに接続します。 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。

さらに、PCBの各層に使用される銅メッキの重量または厚さは非常に重要です。 熱抵抗分析の観点から、露出したパッドまたはバンプ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、これら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、2オンスの銅（2オンスの銅= 2.8ミルまたは71µm）の外層と1オンスの銅（1オンスの銅= 1.4ミルまたは35µm）の内層、またはすべてが1オンスの重い銅被覆層。 家庭用電化製品のアプリケーションでは、0.5オンスの銅（0.5オンスの銅= 0.7ミルまたは18µm）の層を使用するアプリケーションもあります。