電源應(yīng)用的散熱仿真耗

散熱仿真是開(kāi)發(fā)電源產(chǎn)品以及提供產(chǎn)品材料指南一個(gè)重要的組成部分。
優(yōu)化模塊外形尺寸是終端設(shè)備設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，這就帶來(lái)了從金屬散熱片向 PCB 覆銅層散熱管理轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。當(dāng)今的一些模塊均使用較低的開(kāi)關(guān)頻率，用于開(kāi)關(guān)模式電源和大型無(wú)源組件。對(duì)于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路的電壓轉(zhuǎn)換和靜態(tài)電流而言，線性穩(wěn)壓器的效率較低。
隨著功能越來(lái)越豐富，性能越來(lái)越高，設(shè)備設(shè)計(jì)也變得日益緊湊，這時(shí) IC 級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的散熱仿真就顯得非常重要了。
一些應(yīng)用的工作環(huán)境溫度為 70 到 125C，并且一些裸片尺寸車(chē)載應(yīng)用的溫度甚至高達(dá) 140C，就這些應(yīng)用而言，系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行非常重要。進(jìn)行電子設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，上述兩類(lèi)應(yīng)用的瞬態(tài)和靜態(tài)最壞情況下的精確散熱分析正變得日益重要。
散熱管理
散熱管理的難點(diǎn)在于要在獲得更高散熱性能、更高工作環(huán)境溫度以及更低覆銅散熱層預(yù)算的同時(shí)，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導(dǎo)致產(chǎn)生熱量組件較高的集中度，從而帶來(lái)在 IC 級(jí)和封裝級(jí)極高的熱通量。
系統(tǒng)中需要考慮的因素包括可能會(huì)影響分析器件溫度、系統(tǒng)空間和氣流設(shè)計(jì)/限制條件等其他一些印刷電路板功率器件。散熱管理要考慮的三個(gè)層面分別為：封裝、電路板和系統(tǒng)（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）。

圖 1 IC 封裝中典型的熱傳遞路徑
低成本、小外形尺寸、模塊集成和封裝可靠性是選擇封裝時(shí)需要考慮的幾個(gè)方面。由于成本成為關(guān)鍵的考慮因素，因此基于引線框架的散熱增強(qiáng)封裝正日益受到人們的青睞。這種封裝包括內(nèi)嵌散熱片或裸露焊盤(pán)和均熱片型封裝，設(shè)計(jì)旨在提高散熱性能。在一些表面貼裝封裝中，一些專(zhuān)用引線框架在封裝的每一面均熔接幾條引線，以起到均熱器的作用。這種方法為裸片焊盤(pán)的熱傳遞提供了較好的散熱路徑。
IC 與封裝散熱仿真
散熱分析要求詳細(xì)、準(zhǔn)確的硅芯片產(chǎn)品模型和外殼散熱屬性。半導(dǎo)體供應(yīng)商提供硅芯片 IC 散熱機(jī)械屬性和封裝，而設(shè)備制造商則提供模塊材料的相關(guān)信息。產(chǎn)品用戶(hù)提供使用環(huán)境資料。
這種分析有助于 IC 設(shè)計(jì)人員對(duì)電源 FET 尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以適用于瞬態(tài)和靜態(tài)運(yùn)行模式中的最壞情況下的功耗。在許多電源電子 IC 中，電源 FET 都占用了裸片面積相當(dāng)大的一部分。散熱分析有助于設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其設(shè)計(jì)。
選用的封裝一般會(huì)讓部分金屬外露，以此來(lái)提供硅芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關(guān)鍵參數(shù)如下：
硅芯片尺寸縱橫比和芯片厚度。
功率器件面積和位置，以及任何發(fā)熱的輔助驅(qū)動(dòng)電路。
電源結(jié)構(gòu)厚度（硅芯片內(nèi)分散情況）。
硅芯片連接至外露金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的裸片連接面積與厚度?？赡馨闫B接材料氣隙百分比。
外露金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的面積和厚度。
使用鑄模材料和連接引線的封裝尺寸。
需提供模型所用每一種材料的熱傳導(dǎo)屬性。這種數(shù)據(jù)輸入還包括所有熱傳導(dǎo)屬性的溫度依賴(lài)性變化，這些傳導(dǎo)屬性具體包括：
硅芯片熱傳導(dǎo)性
裸片連接、鑄模材料的熱傳導(dǎo)性
金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的熱傳導(dǎo)性。
封裝類(lèi)型 (package product) 和 PCB 相互作用
散熱仿真的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)是確定焊盤(pán)到散熱片材料的熱阻，其確定方法主要有以下幾種：
多層 FR4 電路板（常見(jiàn)的為四層和六層電路板）
單端電路板
頂層及底層電路板
散熱和熱阻路徑根據(jù)不同的實(shí)施方法而各異：
連接至內(nèi)部散熱片面板的散熱焊盤(pán)或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤(pán)或突起連接處連接至 PCB 頂層。
位于外露散熱焊盤(pán)或突起連接處下方 PCB 上的一個(gè)開(kāi)口，可以和連接至模塊金屬外殼的伸出散熱片基座相連。
利用金屬螺釘將散熱層連接至金屬外殼的 PCB 頂部或底部覆銅層上的散熱片。使用焊料將外露散熱焊盤(pán)或突起連接處連接至 PCB 的頂層。
另外，每層 PCB 上所用鍍銅的重量或厚度非常關(guān)鍵。就熱阻分析而言，連接至外露焊盤(pán)或突起連接處的各層直接受這一參數(shù)的影響。一般而言，這就是多層印刷電路板中的頂部、散熱片和底部層。
大多數(shù)應(yīng)用中，其可以是兩盎司重的覆銅（2 盎司銅=2.8 mils 或 71 µm）外部層，以及1盎司重的覆銅（1盎司銅= 1.4 mils 或 35 µm）內(nèi)部層，或者所有均為 1 盎司重的覆銅層。在消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用中，一些應(yīng)用甚至?xí)褂?0.5 盎司重的覆銅（0.5 盎司銅 = 0.7 mils 或 18 µm）層。
模型資料
仿真裸片溫度需要一張 IC 平面布置圖，其中包括裸片上所有的電源 FET 以及符合封裝焊接原則的實(shí)際位置。
每一個(gè) FET 的尺寸和縱橫比，對(duì)熱分布都非常重要。需要考慮的另一個(gè)重要因素是 FET 是否同時(shí)或順序上電。模型精度取決于所使用的物理數(shù)據(jù)和材料屬性。
模型的靜態(tài)或平均功耗分析只需很短的計(jì)算時(shí)間，并且一旦記錄到最高溫度時(shí)便出現(xiàn)收斂。
瞬態(tài)分析要求功耗－時(shí)間對(duì)比數(shù)據(jù)。我們使用了比開(kāi)關(guān)電源情況更好的解析步驟來(lái)記錄數(shù)據(jù)，以精確地對(duì)快速功率脈沖期間的峰值溫度上升進(jìn)行捕獲。這種分析一般費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，且要求比靜態(tài)功率模擬更多的數(shù)據(jù)輸入。
該模型可仿真裸片連接區(qū)域的環(huán)氧樹(shù)脂氣孔，或 PCB 散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下，環(huán)氧樹(shù)脂/鍍層氣孔都會(huì)影響封裝的熱阻（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。