Việc giảm đáng kể kích thước của các mạch tích hợp nguồn (IC) đã cho phép các nhà thiết kế hệ thống đạt được mức giảm kích thước và chi phí giải pháp cung cấp điện, điều này rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống tiên tiến trong ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, một thách thức nảy sinh từ xu hướng này là hiệu suất nhiệt bị suy giảm. Nếu không có cách bố trí bảng mạch in (PCB) chu đáo để tản nhiệt, việc sử dụng các IC nhỏ hơn trong thiết kế có thể dẫn đến nhiệt độ tăng đáng kể. Điều đó đặc biệt liên quan đến các ứng dụng ô tô và phạm vi nhiệt độ hoạt động khắc nghiệt của chúng.

Một gói kích thước nhỏ phổ biến là vi mạch lật, cho phép các vi mạch trở nên nhỏ hơn, do đó làm cho chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các kỹ sư thiết kế các giải pháp cấp nguồn nhỏ. Tuy nhiên, ciệc học điện tử việc giảm kích thước này đã ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt hơn nữa và làm cho việc giảm thiểu nhiệt trở nên khó khăn hơn. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét các cân nhắc và hướng dẫn để đạt được hiệu suất nhiệt tối ưu với các IC chip lật nhỏ này.

Sự khác biệt giữa QFN Wire-Bond tiêu chuẩn và các gói Flip-Chip

Một gói điển hình như dây dẫn 4 phẳng không dẫn (QFN) có một đường giao nhau / khuôn thường kết nối với tấm tản nhiệt để tản nhiệt (Hình 1) . Mối nối có các dây liên kết để kết nối mối nối với các chân. Các dây liên kết rất mỏng và không dẫn nhiệt tốt, dẫn đến phần lớn nhiệt thoát ra từ tấm tản nhiệt.

1. Các mối nối kết nối với các chân và tấm tản nhiệt trong gói QFN liên kết dây tiêu chuẩn cung cấp các đường dẫn nhiệt tốt cho nhiệt của khuôn.

Công nghệ chip lật lật con chip / chỗ tiếp giáp để các vết lồi bằng đồng lộn ngược và được hàn trực tiếp vào khung chì (Hình 2) . Điều này dẫn đến giảm trở kháng ký sinh từ chân cắm đến điểm nối, cải thiện hiệu quả, kích thước, chuông chuyển mạch và hiệu suất tổng thể cho một thông số kỹ thuật nhất định. Tuy nhiên, chip lật lại cấm khuôn kết nối trực tiếp với tấm tản nhiệt, vì không có tấm tản nhiệt trên các thiết bị chip lật điển hình.

2. Các mối nối kết nối với các chân của thiết bị chip lật cung cấp hiệu suất điện được cải thiện nhưng đường dẫn nhiệt và hiệu suất giảm.

May mắn thay, việc loại bỏ các dây liên kết tạo điều kiện thuận lợi cho các đường dẫn nhiệt cao từ khuôn, qua các chân và vào bo mạch. Điều này dẫn đến sự dẫn nhiệt tốt giữa khuôn và bo mạch, do đó loại bỏ nhiệt khỏi vi mạch.

Sử dụng ghim để tối ưu hóa phân phối nhiệt

Các nhà thiết kế bộ nguồn có thể đạt được hiệu suất nhiệt rất tốt với các IC chip lật bằng cách kết nối và sử dụng các chân chip lật để phân phối nhiệt. Kết nối các chân với các vết đồng lớn và các túi đa giác làm giảm điện trở nhiệt và kéo nhiều nhiệt hơn ra khỏi gói.

Chân nối đất (PGND) thường được sử dụng để tách nhiệt từ vi mạch. PGND cũng yêu cầu khả năng hiện tại cao hơn; do đó, nút đồng kết nối đường giao nhau với chân PGND thường lớn hơn nút đồng của chân tín hiệu. Vết sưng bằng đồng lớn hơn này cho phép nhiều nhiệt hơn truyền ra từ (các) chân PGND. Về mặt hệ thống, PGND hoạt động êm ái về mặt điện, vì vậy diện tích bề mặt đồng lớn sẽ không ảnh hưởng đến mức nhiễu điện từ (EMI) – một yêu cầu quan trọng trong hệ thống ô tô.

Bạn có thể sử dụng các chân khác để cải thiện hiệu suất nhiệt, nhưng lưu ý không làm tăng diện tích bề mặt của các nút nhiễu như nút chuyển đổi và chân bootstrap. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của EMI và có thể gây ra vi phạm các giới hạn kiểm tra EMI.

Hãy thử nghiệm các chiến lược này bằng LMR36015-Q1 . Bộ chuyển đổi buck-chip lật được đánh giá ở 150 ° C và xử lý đầu vào đến 60 V và có thể cung cấp lên đến 1,5 A (Hình 3) .

3. Sơ đồ chân cho bộ chuyển đổi Buck lật LMR36015-Q1 là điểm khởi đầu để phát triển chiến lược nhiệt.

Trong bố cục được tối ưu hóa về mặt nhiệt của LMR36015-Q1 (Hình 4) , chân 1 và 11 là chân PGND kết nối với mặt đất lớn, giúp phân phối nhiệt tốt. Cách bố trí cũng sử dụng vias nhiệt trên mặt đất, khai thác các lớp bên trong để phân phối nhiệt nhiều hơn. Chân 6 là mặt đất tương tự, cũng có mặt phẳng tiếp đất lớn và vias nhiệt.

4. Bố cục được tối ưu hóa về mặt nhiệt của LMR36015-Q1 bao gồm kết nối với mặt đất lớn, giúp phân phối nhiệt tốt. Nó cũng sử dụng vias nhiệt để tiếp cận các lớp bên trong để phân phối nhiệt bổ sung.

Các chân 2 và 10 là các chân điện áp đầu vào (V IN ), giống như các chân PGND có các va chạm đồng lớn bên trong để tăng công suất dòng điện và cải thiện độ dẫn nhiệt để tản nhiệt tốt hơn. Tuy nhiên, điện áp đầu vào trên bộ chuyển đổi buck vốn đã rất ồn, vì vậy hãy xem kích thước của mặt phẳng V IN để tránh đẩy mức EMI vượt qua giới hạn chấp nhận được. Nút chuyển đổi và chân bootstrap bị nhiễu do điện áp thay đổi nhanh, vì vậy điều quan trọng là phải giữ các nút đó càng nhỏ càng tốt dòng điện khởi động

Bo mạch LMR36015-Q1 có kích thước 2,2 × 2,3 inch (5,6 cm × 5,8 cm) và chỉ có hai lớp. Các tấm ván điển hình lớn hơn và chứa bốn lớp trở lên, và sự gia tăng kích thước và số lớp này cũng làm trầm trọng thêm thách thức về nhiệt. Bố cục được tối ưu hóa về mặt nhiệt cho phép LMR36015-Q1 hoạt động ở 12 V IN , 5 V OUT khi đầy tải 1,5 A, chuyển đổi ở 400 kHz với nhiệt độ tăng chỉ 28 ° C trong môi trường không khí tĩnh 22 ° C. Cách bố trí này cũng cho phép IC định mức 150 ° C hoạt động trong nhiệt độ môi trường xung quanh cao tới 115 ° C, cho phép biên độ 10 ° C cao hơn yêu cầu môi trường 105 ° C được sử dụng trong một số môi trường ô tô khắc nghiệt nhất.

Các vi mạch công suất nhỏ hơn trong các gói chip lật không nhất thiết dẫn đến hiệu suất nhiệt kém. Khi so sánh với các gói liên kết bằng dây, có thể đạt được hiệu suất nhiệt tương đương bằng cách làm theo hướng dẫn được trình bày trong bài viết này.

Sam Jaffe đã tốt nghiệp Cử nhân / Thạc sĩ Kỹ thuật điện tại Đại học California Polytechnic State ở San Luis Obispo vào tháng 6 năm 2016. Anh gia nhập TI vào tháng 8 năm 2016 và đã làm việc với tư cách là đại diện Bán hàng hiện trường, kỹ sư ứng dụng trong lĩnh vực điện cao thế nhóm quyền lực và trong hai năm rưỡi qua, trong nhóm Bộ điều khiển và Bộ chuyển đổi VIN Buck rộng.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here