中心議題：

• 電源的散熱管理
• IC與封裝散熱仿真

解決方案：

• 封裝類型(packageproduct)和PCB相互作用
• PCB與模塊外殼的實施

散(san)熱(re)仿(fang)真(zhen)是(shi)開(kai)發(fa)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)以(yi)及(ji)提(ti)供(gong)產(chan)品(pin)材(cai)料(liao)指(zhi)南(nan)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)。優(you)化(hua)模(mo)塊(kuai)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)是(shi)終(zhong)端(duan)設(she)備(bei)設(she)計(ji)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)，這(zhe)就(jiu)帶(dai)來(lai)了(le)從(cong)金(jin)屬(shu)散(san)熱(re)片(pian)向(xiang)PCB覆fu銅tong層ceng散san熱re管guan理li轉zhuan換huan的de問wen題ti。當dang今jin的de一yi些xie模mo塊kuai均jun使shi用yong較jiao低di的de開kai關guan頻pin率lv
，用yong於yu開kai關guan模mo式shi電dian源yuan和he大da型xing無wu源yuan組zu件jian。對dui於yu驅qu動dong內nei部bu電dian路lu的de電dian壓ya轉zhuan換huan和he靜jing態tai電dian流liu而er言yan，線xian性xing穩wen壓ya器qi的de效xiao率lv較jiao低di。

隨著功能越來越豐富，性能越來越高，設備設計也變得日益緊湊
，這時IC級和係統級的散熱仿真就顯得非常重要了。

一些應用的工作環境溫度為70到125C
，並且一些裸片尺寸車載應用的溫度甚至高達140C，jiuzhexieyingyongeryan
，xitongdebujianduanyunxingfeichangzhongyao。jinxingdianzishejiyouhuashi，shangshuliangleiyingyongdeshuntaihejingtaizuihuaiqingkuangxiadejingquesanrefenxizhengbianderiyizhongyao。

散熱管理

散熱管理的難點在於要在獲得更高散熱性能
、更高工作環境溫度以及更低覆銅散熱層預算的同時，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導致產生熱量組件較高的集中度
，從而帶來在IC級和封裝級極高的熱通量。

係統中需要考慮的因素包括可能會影響分析器件溫度
、係統空間和氣流設計/限製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層麵分別為：封裝、電路板和係統（請參見圖1）。

低成本

、小外形尺寸、模(mo)塊(kuai)集(ji)成(cheng)和(he)封(feng)裝(zhuang)可(ke)靠(kao)性(xing)是(shi)選(xuan)擇(ze)封(feng)裝(zhuang)時(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)幾(ji)個(ge)方(fang)麵(mian)。由(you)於(yu)成(cheng)本(ben)成(cheng)為(wei)關(guan)鍵(jian)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)
，因(yin)此(ci)基(ji)於(yu)引(yin)線(xian)框(kuang)架(jia)的(de)散(san)熱(re)增(zeng)強(qiang)封(feng)裝(zhuang)正(zheng)日(ri)益(yi)受(shou)到(dao)人(ren)們(men)的(de)青(qing)睞(lai)。這(zhe)種(zhong)封(feng)裝(zhuang)包(bao)括(kuo)內(nei)嵌(qian)散(san)熱(re)片(pian)或(huo)裸(luo)露(lu)焊盤和he均jun熱re片pian型xing封feng裝zhuang
，設she計ji旨zhi在zai提ti高gao散san熱re性xing能neng。在zai一yi些xie表biao麵mian貼tie裝zhuang封feng裝zhuang中zhong，一yi些xie專zhuan用yong引yin線xian框kuang架jia在zai封feng裝zhuang的de每mei一yi麵mian均jun熔rong接jie幾ji條tiao引yin線xian，以yi起qi到dao均jun熱re器qi的de作zuo用yong。這zhe種zhong方fang法fa為wei裸luo片pian焊han盤pan的de熱re傳chuan遞di提ti供gong了le較jiao好hao的de散san熱re路lu徑jing。

IC與封裝散熱仿真

散熱分析要求詳細
、準確的矽芯片產品模型和外殼散熱屬性。半導體供應商提供矽芯片IC散熱機械屬性和封裝，而設備製造商則提供模塊材料的相關信息。產品用戶提供使用環境資料。

這種分析有助於IC設計人員對電源FET尺寸進行優化，以適用於瞬態和靜態運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都占用了裸片麵積相當大的一部分。散熱分析有助於設計人員優化其設計。

選用的封裝一般會讓部分金屬外露
，以此來提供矽芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關鍵參數如下：

矽芯片尺寸縱橫比和芯片厚度；
功率器件麵積和位置
，以及任何發熱的輔助驅動電路；
電源結構厚度（矽芯片內分散情況）；
矽芯片連接至外露金屬焊盤或金屬突起連接處的裸片連接麵積與厚度。可能包括裸片連接材料氣隙百分比；
外露金屬焊盤或金屬突起連接處的麵積和厚度；
使用鑄模材料和連接引線的封裝尺寸；
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需提供模型所用每一種材料的熱傳導屬性。這種數據輸入還包括所有熱傳導屬性的溫度依賴性變化，這些傳導屬性具體包括：

矽芯片熱傳導性；
裸片連接、鑄模材料的熱傳導性；
金屬焊盤或金屬突起連接處的熱傳導性。

封裝類型(packageproduct)和PCB相互作用

散熱仿真的一個至關重要的參數是確定焊盤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不同的實施方法而各異：

連接至內部散熱片麵板的散熱焊盤或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至PCB頂層；

位於外露散熱焊盤或突起連接處下方PCB上的一個開口，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或突起連接處連接至PCB的頂層；

另外，每層PCB上(shang)所(suo)用(yong)鍍(du)銅(tong)的(de)重(zhong)量(liang)或(huo)厚(hou)度(du)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)。就(jiu)熱(re)阻(zu)分(fen)析(xi)而(er)言(yan)，連(lian)接(jie)至(zhi)外(wai)露(lu)焊(han)盤(pan)或(huo)突(tu)起(qi)連(lian)接(jie)處(chu)的(de)各(ge)層(ceng)直(zhi)接(jie)受(shou)這(zhe)一(yi)參(can)數(shu)的(de)影(ying)響(xiang)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)，這(zhe)就(jiu)是(shi)多(duo)層(ceng)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)中(zhong)的(de)頂(ding)部(bu)、散熱片和底部層。

大多數應用中，其可以是兩盎司重的覆銅（2盎司銅=2.8mils或71µm）外部層

，以及1盎司重的覆銅（1盎司銅=1.4mils或35µm）內部層，或者所有均為1盎司重的覆銅層。在消費類電子應用中，一些應用甚至會使用0.5盎司重的覆銅（0.5盎司銅=0.7mils或18µm）層。

模型資料

仿真裸片溫度需要一張IC平麵布置圖

，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際位置。

每一個FET的尺寸和縱橫比，對熱分布都非常重要。需要考慮的另一個重要因素是FET是否同時或順序上電。模型精度取決於所使用的物理數據和材料屬性。

模型的靜態或平均功耗分析隻需很短的計算時間

，並且一旦記錄到最高溫度時便出現收斂。

瞬態分析要求功耗－時(shi)間(jian)對(dui)比(bi)數(shu)據(ju)。我(wo)們(men)使(shi)用(yong)了(le)比(bi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)情(qing)況(kuang)更(geng)好(hao)的(de)解(jie)析(xi)步(bu)驟(zhou)來(lai)記(ji)錄(lu)數(shu)據(ju)，以(yi)精(jing)確(que)地(di)對(dui)快(kuai)速(su)功(gong)率(lv)脈(mai)衝(chong)期(qi)間(jian)的(de)峰(feng)值(zhi)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)進(jin)行(xing)捕(bu)獲(huo)。這(zhe)種(zhong)分(fen)析(xi)一(yi)般(ban)費(fei)時(shi)較(jiao)長(chang)
，且(qie)要(yao)求(qiu)比(bi)靜(jing)態(tai)功(gong)率(lv)模(mo)擬(ni)更(geng)多(duo)的(de)數(shu)據(ju)輸(shu)入(ru)。

該模型可仿真裸片連接區域的環氧樹脂氣孔，或PCB散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下
，環氧樹脂/鍍層氣孔都會影響封裝的熱阻（請參見圖2）。

散熱定義

Θja—表示周圍熱阻的裸片結點，通常用於散熱封裝性能對比。
Θjc—表示外殼頂部熱阻的裸片結點。
Θjp—表示外露散熱焊盤熱阻的芯片結點，通常用於預測裸片結點溫度的較好參考。
Θjb—表示一條引線熱阻路徑下電路板的裸片結點。

PCB與模塊外殼的實施

數據表明需要進行一些改動來降低頂部層附近裸片上的FET最高溫度，以防止熱點超出150C的T結點（請參見圖3）。係統用戶可以選擇控製該特定序列下的功率分布，以此來降低裸片上的功率溫度。

散熱仿真是開發電源產品的一個重要組成部分。此外，其還能夠指導您對熱阻參數進行設置，涵蓋了從矽芯片FET結點到產品中各種材料實施的整個範圍。一旦了解了不同的熱阻路徑之後，我們便可以對許多係統進行優化，以適用於所有應用。
該數據還可以被用於確定降額因子與環境運行溫度升高之間相關性的準則。這些結果可用來幫助產品開發團隊開發其設計。