电子创新@@188足彩外围@@app 网@@ - 散热@@ - 188足彩网

纳微仿真@@@@101 | 热学@@篇@@：芯片的@@不同封装@@在@@水冷系统不同散热@@方案@@@@下@@的@@热表@@现@@

judy — Tue, 12 Dec 2023 02:27:42 +0000

各位粉丝朋友久等啦@@！第二期的@@@@“仿真@@101”终于@@千呼万唤始出来@@，第二节课我们来到@@了芯片的@@另一个重要特性@@——热学@@。在@@不同的@@封装@@下@@@@，芯片的@@热表@@现也截然不同@@，这也决定了最后@@我们设计@@的@@芯片究竟该采用什么封装@@@@。

接下@@来@@，纳微经验丰富的@@专家们@@，将@@用仿真@@模拟和@@快插板@@验证的@@方式@@，为@@大家深入浅出地剖析不同封装@@下@@的@@热表@@现@@。

老规矩@@，先上@@省流助手@@：

重点结论@@先看@@

1. 封装@@的@@@@exposed pad面@@积@@越大@@，在@@相同散热@@方案@@@@下@@的@@系统热阻@@@@一般会越低@@（前提是@@exposed pad厚度没有太大的@@差异@@），这种@@现象对@@于@@@@器件与@@冷板间缺乏良好热扩散的@@方案@@而@@言@@尤为@@显著@@；

2. 流道@@特征@@变化时@@@@，系统热阻@@@@的@@变化主要来自流道@@热阻@@的@@变化@@，直接替换叠层热阻@@中@@的@@@@流道@@热阻@@可以作为@@一个有效的@@快速的@@系统热阻@@@@预测手段@@；

3. 器件的@@功耗@@大小对@@系统热阻@@@@无明显影响@@；

4. 热源数量的@@增加会显著影响系统热阻@@@@的@@大小@@。

01. 什么是@@半导体器件的@@@@@@R_jc？

首先@@，我们要明白一个概念@@——热阻@@：是指当@@有热量在@@物体上@@传输时@@@@，物体两端的@@温差与@@功率之间的@@比值@@@@。半导体器件的@@@@R_jc，即器件的@@结到@@封装@@@@case面@@的@@@@热阻@@@@。实际器件的@@封装@@会有多个与@@空气或其他部件接触的@@@@case面@@，对@@于@@@@每一个@@case面@@都有对@@应的@@@@R_jc。但是与@@电路相似@@，器件内部产生的@@热量@@，主要会从@@R_jc最小的@@那个@@case面@@流出@@，因此@@半导体厂商一般仅会在@@@@datasheet中@@列出主要散热@@@@case面@@的@@@@R_jc。R_jc越大的@@器件@@，在@@相同条件一下@@一般结温也会更高@@，因此@@R_jc常被用于@@表@@征器件的@@温升难易程度@@。

以采用@@TO247封装@@的@@@@纳微半导体@@的@@@@GeneSiC MOSFET为@@例@@，其主要散热@@面@@为@@底部金属面@@@@：

图@@1 TO247散热@@面@@主要为@@金属面@@@@

02. 什么是@@R_j-coolant？

R_j-coolant，即器件的@@结到@@冷却介质输入端的@@热阻@@@@（液冷系统@@）或者@@结到@@环境的@@热阻@@@@（风冷系统@@），也称系统热阻@@@@@@。从定义上@@来看@@，系统热阻@@@@R_j-coolant与@@结壳热阻@@@@R_jc非常相似@@，但是从值@@的@@唯一性上@@来说@@，两者又非常截然不同@@。R_jc受到@@环境的@@影响@@较小@@，它的@@值@@在@@大多数实际应用场景中@@都能维持在@@一个相对@@稳定的@@范围内@@。而@@R_j-coolant则不同@@，器件所处的@@位置@@、环境温度@@、散热@@方案@@@@、流道@@特征@@、冷却介质流量等多种@@因素都会大大的@@影响@@其值@@的@@大小@@。

因此@@R_j-coolant实际上@@是半导体器件在@@特定散热@@系统中@@的@@@@系统热阻@@@@@@。如@@果@@参照电路系统对@@系统的@@散热@@过程进行简化@@，则温度差对@@应电压@@@@，热流@@（热耗@@）对@@应电流@@，热阻@@对@@应电阻@@，此时@@系统热阻@@@@@@R_j-coolant可以被视为@@传热路径上@@各个部件热阻@@的@@串联@@叠加@@，这种@@简化方式则称作热路法@@。

图@@2 TOLL封装@@在@@实际散热@@系统中@@的@@@@热路法简化示意图@@@@

03. 对@@于@@@@系统热阻@@@@@@R_j-coolant而@@言@@，封装@@类型的@@改变会带来哪些影响@@？

如@@果@@单纯的@@将@@热路与@@电路进行等价@@，封装@@类型的@@改变看似等同于@@更换了一个电阻@@，那么实际上@@是否真的@@如@@此呢@@？答案是否定的@@@@。

热路法本质是通过将@@一个@@三维传热问题简化为@@一维传热问题以实现模型的@@简化@@。简化后的@@降阶模型能够大幅削减计算的@@成本@@，从而@@使大系统复杂工况的@@热预测成为@@可能@@。但不要忘了@@，其本质仍是一个三维传热问题@@。

封装@@类型的@@不同@@，对@@于@@@@图@@@@2中@@的@@@@Solder到@@Cold plate的@@子系统而@@言@@@@，就相当@@于@@@@Solder层上@@表@@面@@热源的@@面@@积@@与@@分布发生了变化@@，这种@@变化又会对@@子系统中@@每一层的@@等热阻@@线@@分布产生大小不等的@@影响@@@@。其中@@@@，对@@于@@@@平面@@方向热扩散能力差的@@材料而@@言@@@@，这种@@影响会尤为@@显著@@。

图@@3 等热阻@@线@@

04. 不同封装@@在@@水冷系统在@@不同散热@@方案@@@@下@@的@@热表@@现对@@比@@

为@@了能够更准确的@@了解不同封装@@在@@不同散热@@方案@@@@下@@的@@热表@@现@@，也为@@了给后续完善降阶模型提供足够的@@样本量@@，本文将@@借助有限元仿真@@的@@手段@@，对@@8种@@常见的@@功率半导体器件封装@@进行热表@@现评估@@（底部散热@@@@、顶部散热@@各@@4种@@）。

其中@@@@，每种@@封装@@对@@比@@30毫欧@@SiC与@@18毫欧@@GaN两种@@@@类型的@@@@Die，每个@@Die的@@功耗@@为@@@@25W，全桥板@@（相同封装@@的@@@@@@4个器件@@同时@@发热@@），环境温度@@85℃，冷却液温度@@65℃，流道@@采用针状翅片@@，细节信息见图@@@@@@4与@@表@@@@1。

表@@1 各类封装@@@@exposed pad的@@面@@积@@与@@厚度@@

图@@4 仿真@@对@@比的@@封装@@类型@@、流道@@、功耗@@以及@@@@边界条件@@

图@@5为@@仿真@@对@@比的@@不同散热@@方案@@@@@@@@。其中@@@@底部散热@@@@封装@@@@TOLL、PSOP-30L、TO263均与@@塞铜板焊接相连@@，适用@@A1-A5的@@散热@@解决方案@@@@。而@@底部散热@@@@封装@@@@TO247则由于@@其插件式封装@@特性@@，仅适用@@@@A2、A4-A6方案@@。

图@@5 仿真@@对@@比的@@不同散热@@方案@@@@@@

图@@6与@@图@@@@7分别是底部散热@@@@与@@顶部散热@@封装@@的@@@@叠层热阻@@@@曲线图@@@@。其中@@@@实线代表@@@@die为@@SiC，虚线代表@@@@die为@@GaN。可以发现@@：

图@@6 底部散热@@@@封装@@的@@@@叠层热阻@@@@

图@@7 顶部散热@@封装@@的@@@@叠层热阻@@@@

1. 当@@die发生改变时@@@@，相较其他层@@，die层的@@热阻@@变化最为@@明显@@。这种@@变化是由@@厚度@@、面@@积@@、材料所同时@@引起的@@@@；

2. 当@@die发生改变时@@@@，die attach层的@@热阻@@没有显著的@@变化@@。这是因为@@@@die attach的@@面@@积@@始终与@@@@die保持一致而@@不需要进行额外的@@热扩散@@，因此@@它的@@热阻@@变化仅受@@die面@@积@@的@@影响@@@@；

3. 当@@die发生改变时@@@@，exposed pad层的@@热阻@@变化较为@@明显@@。这是因为@@@@对@@与@@@@exposed pad而@@言@@，热源面@@积@@远小于@@其自身的@@表@@面@@积@@@@，热流@@除了通过厚度方向以外@@，还需要在@@平面@@方向进行扩散@@，随着热源尺寸的@@增加@@，其热阻@@会随之逐渐变小@@；

4. 当@@die发生改变时@@@@，对@@于@@@@exposed pad之后各层的@@热阻@@影响取决于@@热流@@是否已经在@@@@exposed pad中@@受到@@了充分地扩散@@。即对@@于@@@@@@exposed pad厚度较薄@@的@@@@TFN而@@言@@，后续各层热阻@@仍会有较明显的@@变化@@，而@@这种@@明显的@@变化在@@其他封装@@中@@则难以被观测到@@@@；

5. 当@@选用的@@封装@@发生改变时@@@@@@， exposed pad之后各层的@@热阻@@均有不同程度的@@变化@@。相比起通过塞铜板进行热扩散的@@底部散热@@@@封装@@@@，顶部散热@@封装@@的@@@@热阻@@变化要更为@@明显@@；

6. 当@@选用的@@封装@@发生改变时@@@@@@，没有高导热率@@中@@间层的@@散热@@方案@@@@@@（如@@A3、A4、B2与@@B3）各层热阻@@变化更为@@明显@@。这是因为@@@@高导热中@@间层可以使热流@@在@@平面@@内有更好的@@扩散@@，从而@@削弱了@@exposed pad面@@积@@对@@后续各层热阻@@的@@影响@@@@。

图@@8与@@图@@@@9分别是底部散热@@@@封装@@与@@顶部散热@@封装@@的@@@@系统热阻@@@@曲线图@@@@。可以发现@@：

图@@8 底部散热@@@@封装@@系统热阻@@@@@@

图@@9 顶部散热@@封装@@系统热阻@@@@@@

1. die改变带来的@@影响@@对@@于@@@@系统热阻@@@@@@而@@言@@@@，它的@@占比非常小@@；

2. 封装@@类型改变带来的@@影响@@对@@于@@@@系统热阻@@@@@@而@@言@@@@@@，占比非常大@@，尤其是对@@于@@@@没有高导热率@@中@@间层的@@散热@@方案@@@@@@@@（如@@A3、A4、B2与@@B3）；

3. 结合图@@@@6与@@图@@@@7的@@叠层热阻@@曲线图@@看@@，当@@流道@@热阻@@约为@@@@0.7K/W时@@，不同散热@@方案@@@@下@@各封装@@@@（全桥板@@）的@@系统热阻@@@@范围@@可以总结为@@表@@@@2。

表@@2 当@@流道@@热阻@@约为@@@@0.7K/W时@@，不同散热@@方案@@@@下@@各封装@@@@（全桥板@@）系统热阻@@@@范围@@

05. 不同散热@@方案@@@@下@@流道@@特征@@的@@影响@@@@

上@@一章给出了流道@@带针翅特征时@@@@，不同封装@@不同散热@@方案@@@@下@@的@@热阻@@范围@@。然而@@@@实际产品@@@@的@@流道@@特征@@会根据设计@@空间@@、制造工艺@@、成本等因素做出改变@@，流道@@的@@热阻@@也会有非常大的@@变化@@。

那么更换流道@@时@@@@，是否可以简单的@@替换流道@@热阻@@而@@推算出不同流道@@下@@的@@系统热阻@@@@呢@@？本章将@@以@@TO263-7L(SiC)的@@A2与@@A3散热@@方案@@@@以及@@@@@@TFN10X10-44L(SiC)和@@QDPACK（SiC）的@@B1与@@B2散热@@方案@@@@为@@例@@@@@@，对@@比不同散热@@方案@@@@下@@流道@@特征@@对@@热阻@@的@@影响@@@@@@（见图@@@@10）。可以发现@@：

1. 当@@流道@@热阻@@增大时@@@@，紧挨流道@@的@@叠层热阻@@有一定程度的@@减小@@，离流道@@较远的@@叠层热阻@@则几乎没有变化@@；

2. 当@@流道@@热阻@@增大时@@@@，紧挨流道@@的@@叠层热阻@@减小的@@程度与@@该层材料的@@导热系数有关@@，封装@@的@@@@影响则难以被观察到@@@@，数值@@上@@与@@流道@@热阻@@的@@变化相比几乎可以忽略不计@@@@；

3. 综上@@所述@@，当@@流道@@发生改变时@@@@@@，直接替换叠层热阻@@中@@的@@@@流道@@部分后获得的@@系统热阻@@@@仍可以较好的@@反映@@封装@@在@@新系统中@@的@@@@热表@@现@@。

图@@10 不同散热@@方案@@@@下@@流道@@特征@@对@@热阻@@的@@影响@@@@

05. 器件数量@@、功耗@@以及@@@@冷却液流速@@的@@影响@@@@

前文的@@分析均以全桥板@@@@（4个器件@@）为@@对@@象@@，然而@@@@实际产品@@@@中@@往往会有远多于@@此的@@器件在@@同时@@工作@@。那么器件的@@数量会怎样影响它们的@@热表@@现呢@@？本章以@@TOLL-4L的@@A1方案@@为@@例@@@@，将@@半桥模块@@@@（2个器件@@）作为@@基本单元@@，研究器件数量@@@@（串联@@的@@单元数@@1-7）、流速@@（并联的@@单元数@@1-3）、功耗@@（25W与@@40W）以及@@@@流量@@（3、6及@@12L/min）的@@影响@@。

图@@11 串联@@7组单元@@，且并联单元数分别为@@@@1、2、3时@@的@@仿真@@模型示意图@@@@

图@@12、图@@13与@@图@@@@14分别为@@不同并联单元数量@@、不同功耗@@@@、不同流量@@下@@@@，系统热阻@@@@与@@串联@@单元数量的@@关系@@曲线图@@@@。其中@@@@实线为@@所有单元中@@温度最高的@@单元的@@热阻@@曲线@@，虚线则为@@最靠近流道@@入口的@@单元的@@热阻@@曲线@@。可以发现@@：

1. 功耗@@的@@大小对@@系统热阻@@@@几乎没有影响@@，些微的@@影响@@也主要来源于@@材料导热系数与@@温度的@@关系以及@@@@冷却液粘度与@@温度的@@关系@@；

2. 器件数量@@对@@系统热阻@@@@有着显著的@@影响@@@@。并且@@，对@@于@@@@特定的@@工况@@，存在@@一个最大影响范围@@。当@@器件间的@@距离超出该范围时@@@@，影响可以忽略不计@@@@。如@@图@@@@中@@表@@示入口单元系统热阻@@@@的@@虚线@@，当@@串联@@数量@@大于@@@@3时@@，热阻@@曲线趋于@@稳定@@。注@@，图@@中@@表@@示最高温度单元系统热阻@@@@的@@实线直到@@@@6或者@@7才趋于@@稳定是因为@@它同时@@受到@@两侧单元的@@影响@@@@；

3. 流量对@@系统热阻@@@@的@@影响@@非常大@@，除了如@@前文章节所说的@@影响@@流道@@热阻@@外@@，还会影响上@@文提及@@的@@最大影响范围的@@大小@@。如@@图@@@@12中@@的@@@@蓝色曲线@@，由于@@并联数量为@@@@1，流速@@相对@@较快@@，系统热阻@@@@几乎不受串联@@数量@@影响@@。又如@@图@@@@@@14中@@的@@@@绿色虚线@@，相比低流量的@@灰线与@@蓝线@@，串联@@数量@@2-7均处于@@系统热阻@@@@温度区域@@；

4. 综上@@所述@@，当@@器件数量@@增多时@@@@，图@@8与@@图@@@@9的@@系统热阻@@@@值@@将@@不足以评估各封装@@器件的@@实际热表@@现@@，此时@@需要结合流道@@@@、器件间距以及@@@@散热@@方案@@@@对@@其进行修正@@。

图@@12 不同并联单元数量下@@@@，系统热阻@@@@与@@串联@@单元数量的@@关系@@

图@@13 不同功耗@@@@下@@@@，系统热阻@@@@与@@串联@@单元数量的@@关系@@

图@@14 不同流量@@下@@@@（即流速@@不同@@），系统热阻@@@@与@@串联@@单元数量的@@关系@@

06. 基于@@@@EVB快插板@@的@@实际案例验证@@

EVB，即评估板@@（Evaluation Board）的@@英文简称@@。EVB通常@@是用于@@向客户展示器件的@@性能@@、供客户熟悉器件的@@功能和@@作用@@、且由芯片公司自己开发的@@非生成类型板@@。

前文的@@研究结论@@主要是基于@@@@小型简化系统获得@@，本章旨在@@以@@EVB快插板@@（实际产品@@@@）为@@对@@象@@验证前文所得规律是否依然适用@@@@。图@@15为@@带独立水道的@@@@@@EVB（主板与@@功率快插板@@@@），其中@@@@快插板@@为@@载有@@4颗@@TOLL-4L封装@@的@@@@全桥板@@@@，独立水道结构特征见图@@@@@@16。

图@@15 带独立水道的@@@@EVB（主板与@@功率快插板@@@@）

图@@16 独立水道结构图@@@@

散热@@方案@@@@采用章节@@“不同封装@@在@@水冷系统不同散热@@方案@@@@下@@的@@热表@@现对@@比@@”中@@的@@@@A5，但叠层信息中@@有若干差异@@，差异细节以及@@@@推测的@@叠层热阻@@变化趋势见表@@@@3。此外@@，仿真@@中@@独立水道的@@流量分别设为@@@@2L/min、3L/min以及@@@@4L/min三种@@@@，其中@@@@2L/min的@@工况又分为@@单个器件@@功耗@@为@@@@25W与@@20W两种@@@@，其余工况单个器件@@功耗@@均为@@@@25W，以验证流道@@热阻@@以及@@@@器件功耗@@对@@系统热阻@@@@的@@影响@@@@。

图@@17为@@不同流量@@@@EVB系统与@@前文小系统的@@叠层热阻@@对@@比图@@@@。可以发现@@叠层热阻@@的@@变化趋势与@@预测的@@几乎完全一致@@。这表@@明前文总结的@@规律依然适用@@@@。

图@@17 不同流量@@EVB系统与@@前文小系统的@@叠层热阻@@对@@比图@@@@

结论@@

通过本文对@@仿真@@对@@比分析@@，不同封装@@在@@水冷系统散热@@方案@@@@下@@的@@系统热阻@@@@大致遵从如@@下@@规律@@：

1．选用的@@封装@@如@@果@@@@exposed pad较薄@@，器件的@@结壳热阻@@@@Rjc会更容易受到@@@@die尺寸的@@影响@@@@。不过相比系统热阻@@@@而@@言@@@@，这种@@差异占比非常小@@，可以忽略不计@@；

2．封装@@的@@@@exposed pad面@@积@@越大@@，在@@相同散热@@方案@@@@下@@的@@系统热阻@@@@一般会越低@@（前提是@@exposed pad厚度没有太大的@@差异@@），这种@@现象对@@于@@@@器件与@@冷板间缺乏良好热扩散的@@方案@@而@@言@@尤为@@显著@@；

3．流道@@特征@@变化时@@@@，系统热阻@@@@的@@变化主要来自流道@@热阻@@的@@变化@@，直接替换叠层热阻@@中@@的@@@@流道@@热阻@@可以作为@@一个有效的@@快速的@@系统热阻@@@@预测手段@@；

4．器件的@@功耗@@大小对@@系统热阻@@@@无明显影响@@；

5．热源数量的@@增加会显著影响系统热阻@@@@的@@大小@@；

6．对@@于@@@@5，存在@@一个最大影响范围@@，当@@热源间距大于@@这个范围时@@@@，热源数量的@@影响@@可以忽略不计@@@@@@；

7．对@@于@@@@6，冷却介质流速@@会显著影响最大影响范围的@@大小@@。当@@流速@@到@@达一定值@@后@@，可以认为@@每个@@器件@@的@@系统热阻@@@@不再受到@@热源数量的@@影响@@@@；

8．8种@@常见的@@功率半导体器件封装@@在@@不同水冷系统散热@@方案@@@@下@@的@@具体热表@@现可以通过图@@@@8、图@@9与@@表@@@@2查询获得@@。当@@实际产品@@@@条件与@@本文所示@@存在@@差异时@@@@，其系统热阻@@@@不可直接沿用@@，应结合上@@述规律对@@其进行适当@@修正@@。

如@@何选择符合应用散热@@要求的@@半导体封装@@@@

judy — Thu, 07 Sep 2023 07:05:43 +0000

为@@了满足应用的@@散热@@要求@@，设计@@人员需要比较不同半导体封装@@类型的@@热特性@@。在@@本@@188金宝搏@@ 中@@， Nexperia（安世半导体@@）讨论了其焊线封装@@和@@夹片粘合封装@@的@@@@散热@@通道@@，以便设计@@人员选择更合适的@@封装@@@@。

焊线器件中@@的@@@@热传导@@如@@何实现@@

焊线封装@@器件中@@的@@@@主要散热@@通道是从结参考点到@@印刷电路板@@（PCB）上@@的@@焊点@@，如@@图@@@@1所示@@。按照一阶近似的@@简单算法@@，次要功耗@@通道的@@影响@@@@（如@@图@@@@所示@@@@）在@@热阻@@计算中@@可以忽略不计@@@@。

焊线器件中@@的@@@@散热@@通道@@

夹片粘合器件中@@的@@@@双热传导@@通道@@

夹片粘合封装@@在@@散热@@上@@与@@焊线封装@@的@@@@区别在@@于@@@@，器件结的@@热量可以沿两条不同的@@通道耗散出去@@，即通过引线框架@@（与@@焊线封装@@一样@@）和@@夹片框架散热@@@@。

夹片粘合封装@@中@@的@@@@热传导@@@@

结到@@焊点@@ Rth（ j-sp ）的@@热阻@@定义因为@@两个@@参考焊点的@@存在@@而@@变得更加复杂@@。这些参考点的@@温度可能不同@@，导致热阻@@成为@@一个并联网@@络@@。

Nexperia（安世半导体@@）使用相同方法来提取夹片粘合器件和@@焊线器件的@@@@ Rth（ j-sp ）值@@。该值@@表@@征从芯片到@@引线框架再到@@焊点的@@主要散热@@通道@@，使得夹片粘合器件的@@值@@与@@类似@@ PCB 布局中@@的@@@@焊线器件值@@相似@@。然而@@@@，在@@提取@@ Rth（ j-sp ）值@@时@@@@，并没有充分利用第二条通道@@，因此@@器件的@@总体散热@@潜力通常@@更高@@。

事实上@@@@，第二条关键的@@散热@@通道让设计@@人员有机会改进@@ PCB 设计@@。例如@@@@，对@@于@@@@焊线器件@@，只能通过一条通道来散热@@@@（二极管的@@大多数热量通过阴极引脚耗散@@）；而@@对@@于@@@@夹片粘合器件@@，两个@@端子均可散热@@@@。

半导体器件散热@@性能的@@仿真@@实验@@

仿真@@实验表@@明@@，如@@果@@ PCB 上@@的@@所有器件端子都有散热@@通道@@，可以显著改善热性能@@。例如@@@@，在@@ CFP5 封装@@的@@@@ PMEG6030ELP 二极管中@@@@（图@@3），35%的@@热量通过铜夹片传递到@@阳极引脚@@，65%的@@热量通过引线框架传递到@@阴极引脚@@。

CFP5封装@@二极管@@

"通过仿真@@实验证实@@，将@@散热@@片分成两个@@部分@@（如@@图@@@@4所示@@）更有利于@@散热@@@@。

如@@果@@将@@一个@@@@1 cm² 的@@散热@@片@@分成两个@@@@0.5 cm² 的@@散热@@片@@，分别放置于@@两个@@端子的@@下@@方@@，在@@相同的@@温度下@@@@，二极管可以耗散的@@功率会增加@@6%。

与@@标准的@@散热@@设计@@或者@@仅连接在@@阴极处的@@@@6 cm² 散热@@片相比@@，两个@@3 cm² 散热@@片可以增加约@@20%的@@功率耗散@@。"

散热@@器位于@@不同区域和@@电路板位置的@@散热@@仿真@@结果@@

Nexperia帮助设计@@人员选择更适合其应用的@@封装@@@@

部分半导体器件制造商不会向设计@@人员提供必要信息@@，导致设计@@人员无法确定哪种@@封装@@类型能为@@其应用提供更好的@@散热@@性能@@。在@@本@@文中@@@@， Nexperia（安世半导体@@）介绍@@了其焊线器件和@@夹片粘合器件中@@的@@@@散热@@通道@@，帮助设计@@人员为@@其应用做出更好的@@决策@@。

关于@@作者@@@@

Martin Röver

Martin Röver于@@2010年在@@哥廷根大学获得半导体物理学博士学位@@。在@@哥廷根大学短暂的@@博士后工作阶段后@@，他于@@@@2011年加入恩智浦@@（后加入@@Nexperia），担任双极性晶体管@@（BJT）的@@开发工程师@@。在@@过去的@@@@12年中@@@@，他在@@@@Nexperia公司积累了垂直@@BJT的@@设计@@和@@质量方面@@的@@@@经验@@，作为@@分立器件@@（如@@SMD和@@DFN封装@@）的@@系统架构师@@，并担任产品@@开发的@@项目负责人@@。此外@@，他还推动热仿真@@课题@@，如@@RC热模型的@@生成@@，并主持@@Nexperia的@@热主题专家小组@@。

文章来源@@：安世半导体@@

如@@何解决汽车大功率集成磁@@@@188足彩外围@@app 的@@散热@@难题@@？

judy — Fri, 06 Jan 2023 04:12:37 +0000

普莱默发布的@@@@3DPower™产品@@，第一次将@@两个@@磁@@@@188足彩外围@@app 集成在@@一起@@，共用一个磁@@芯@@，实现了磁@@芯内所有点上@@都有两个@@正交磁@@场@@。

作者@@：Hector Perdomo Díaz，Juan Manuel Codes Troyano与@@MSMP Power GmbH合作@@

本文将@@重点讨论普莱默在@@@@3DPower™散热@@技术方面@@取得的@@进步@@。磁@@集成的@@最大优点是同一@@188足彩外围@@app 的@@体积比离散方案@@的@@小@@。但增加功率密度会导致部件温度升高@@。

3DPOWER介绍@@

3DPower™壶型磁@@芯采用定制的@@壶型磁@@芯形状@@，是由@@2个感应@@188足彩外围@@app 集成在@@一起@@。其中@@@@一个位于@@壶型磁@@芯机体上@@@@，另一个位于@@壶型磁@@芯外侧@@，如@@同一个螺旋管@@。它帮助我们解决了集成磁@@@@188足彩外围@@app 的@@工程难题@@：在@@本@@产品@@中@@@@@@，由一个扼流圈和@@一个变压器@@组成@@。不同于@@其他磁@@集成技术@@，3DPower™中@@这两个@@@@188足彩外围@@app 共用一个磁@@芯@@体积@@。因此@@，将@@一个@@188足彩外围@@app 的@@磁@@场设计@@成与@@另一@@188足彩外围@@app 的@@磁@@场正交@@，从而@@产生两个@@独立且完全解耦的@@磁@@性@@188足彩外围@@app 。

图@@1：壶型磁@@芯解决方案@@@@（左@@）；截面@@详图@@@@（右@@）

如@@图@@@@1 所示@@，铁氧体磁@@芯@@（70a）内部有一个绕组@@；另一个正交绕组在@@外侧@@（70b/c/d）。磁@@学设计@@者都知道大批量生成中@@铁氧体磁@@芯@@易碎@@，尤其在@@机器加工绕组时@@@@。因此@@，需要在@@磁@@芯上@@覆盖一层线圈@@。读者可以想象出磁@@芯含有一个几十安培的@@绕组@@，外部覆盖一层塑料线圈且线圈上@@也有电线@@，它的@@温度会有多高@@；并且@@由于@@磁@@芯损耗@@，也导致磁@@芯自身发热@@。

通常@@，过热故障不仅是由@@整体温度升高引起的@@@@，而@@且也是因为@@存在@@过热点@@。过热点会在@@铁氧体磁@@芯@@形成温度梯度@@，可能会导致破碎或者@@性能降低@@。因此@@，产品@@的@@主要目标是在@@@@188足彩外围@@app 之间建立良好的@@热熔体@@@@，避免形成过热点@@，并且@@确保冷却系统散热@@性能良好@@。

普莱默可以提供完全定制化的@@@@ 3DPower™方案@@。但由于@@其几何形状局限@@，主要应用包括移相全桥谐振@@LLC DCDC转换器@@。虽然该产品@@的@@输出功率范围为@@@@1 kW至@@11 kW，但可以按照需求增加产品@@的@@功率等级@@。图@@2描述了我们的@@一项新进展@@，一个磁@@芯集成三个磁@@@@188足彩外围@@app （1个变压器@@和@@@@2个电感器@@）。图@@2 只是给出一个示例@@，说明利用我们的@@技术如@@何容易将@@磁@@@@188足彩外围@@app 集成在@@一起@@。

图@@2：3.5kW LLC转换器@@由降压变压器@@@@+串联@@电感器@@+并联传感器组成@@

热熔体@@

正确的@@设计@@和@@广泛的@@材料选择是热性能的@@关键因素@@。下@@图@@为@@@@11kW变压器@@，其绕组由立体平版@@3D打印技术制成@@，在@@磁@@芯底部采用水冷却@@。它的@@电线部分比磁@@芯温度高@@，尤其是在@@底部@@。

图@@3：11kW载荷变压器@@的@@红外图@@像@@@@（左@@）；11kW变压器@@概览图@@@@

该方案@@包括在@@线圈上@@使用导热塑料材料@@@@，在@@电线和@@磁@@芯之间形成热熔体@@@@，例如@@@@使用导热垫或热液体间隙填充材料@@。在@@3DPower™产品@@中@@@@，使用热液体间隙填充材料@@，确保在@@线圈@@、绕组和@@磁@@芯之间形成可靠的@@热熔体@@@@。

磁@@芯粘合剂@@

磁@@芯组分为@@两半@@。将@@两个@@磁@@芯结合的@@最简单和@@最经济的@@方法是使用胶带@@，这是廉价和@@小型变压器@@的@@常用办法@@。这虽然不影响磁@@路@@，但两个@@磁@@芯之间的@@热阻@@很高@@。因此@@，当@@其中@@@@一个磁@@芯安装散热@@器时@@@@，另一个磁@@芯的@@温度梯度也很高@@，可能会导致铁氧体破碎@@@@。

图@@4：使用不同粘合剂磁@@芯组的@@温度梯度变化@@：标准粘合剂@@（上@@）、高导热胶@@（下@@）

在@@我们的@@研发设施内进行了测试@@，结果显示@@，当@@使用标准粘合剂@@时@@@@，两个@@半磁@@芯之间的@@温度梯度是高导热胶@@的@@@@2倍@@。不仅铁氧体容易破碎@@，而@@且由于@@电感随温度变化@@，两个@@磁@@芯的@@磁@@阻不同@@，导致性能不佳@@。

线圈塑料材料@@@@

如@@上@@所述@@，壶型磁@@芯将@@覆盖一层塑料线圈@@，以在@@绕组过程中@@保护铁氧体和@@保护电绝缘@@。如@@果@@使用自然对@@流或强制对@@流@@，线圈会暴露在@@空气中@@@@，如@@果@@使用水冷却@@，线圈会与@@冷却板接触@@。

我们测试了三种@@@@不同塑料材料@@的@@自然对@@流@@。第一种@@塑料材料@@是常用的@@液晶聚合物@@（LCP），导热率@@~0.5 W/m·K ，第二种@@是@@PA6基化合物@@（聚酰胺@@），导热率@@1.2W/m·K，第三种@@@@也是@@PA6塑料材料@@，导热率@@4W/m·K。在@@内部采用热电偶制备三个样本@@，在@@同一操作点进行测试@@。记录它们的@@温度测量值@@@@，并用最小二乘法进行拟合@@（方程@@1）。该方程@@式将@@热模型简化为@@集总电容模型@@。

图@@5：测试期间@@LCP的@@红外图@@像@@

结果显示@@三个样本的@@@@最终温度相同@@。但导热率@@更高的@@@@PA6达到@@温度稳定要比其他样本快@@2倍@@。这表@@明集总电容模型方程@@中@@@@PA6 4W/m·K样本的@@@@“tau”系数比其他样本减半@@。

图@@表@@@@1：不同线圈塑料材料@@@@的@@测试结果@@

快速响应系统显示对@@温度变化@@“反映@@”更快@@、散热@@更快@@@@，从而@@降低铁氧体破碎@@或产生过热点的@@风险@@。因此@@，在@@这种@@情况下@@@@，使用高导热塑料材料@@对@@部件的@@热性能产生了显著的@@影响@@@@。我们将@@在@@下@@一章中@@讨论这是否适用@@于@@强制传导方法@@。

树脂@@

在@@电动汽车@@/混合动力汽车中@@@@，所有大功率磁@@@@188足彩外围@@app 必须采用强制冷却技术来降温@@。由于@@半导体功率模块@@连接冷却板@@，也可用来安装电磁@@@@188足彩外围@@app 。大多数客户只使用导热垫@@，但整个行业越来越趋向于@@使用树脂@@密封整个车载充电器或功率转换器@@@@。由树脂@@散热@@和@@电绝缘性能良好@@，因此@@减少了电力电子@@188足彩外围@@app 的@@尺寸@@。

我们使用@@PA6 4W/m·K和@@LCP样本进行了测试@@，二者均安装在@@铝箱内@@，采用汽车用硅树脂@@密封@@。将@@铝箱安装在@@冷却板上@@@@，中@@间采用导热垫@@，如@@图@@@@6所示@@。该测试的@@目的@@是检验导热塑料材料@@使用树脂@@密封时@@是否能提高整体设计@@@@。

图@@6：冷却板的@@测试装置@@

结果确定了样本的@@@@温度相似@@，温度差仅为@@@@4ºC，如@@果@@我们考虑热电偶的@@准确性和@@建立样本间的@@差异性@@，这可以忽略不计@@@@。PA6样本的@@@@系统时@@间响应更慢@@一些@@（慢@@25%）。

大功率测试装置@@

为@@在@@所有负荷条件下@@测试@@3DPower™磁@@188足彩外围@@app 的@@电气和@@热性能@@，使用了@@MSPM Power GmbH提供的@@大功率测试装置@@@@。TTG1000SIC方波发生器是测试设备的@@主要部件@@，生成的@@方波信号高达@@1000V。方波频率的@@范围可以设置为@@@@10 kHz至@@450 kHz，也可以将@@占空比设置为@@@@0-100%。使用外部全波整流模块@@@@（PCK模块@@），与@@变压器@@或共振电路的@@二次侧连接@@，将@@AC信号转化为@@@@DC电压@@。使用该测试装置@@，能够很容易地在@@真实条件下@@表@@征磁@@@@188足彩外围@@app 。

图@@7：大功率测试设备@@

结论@@

188足彩外围@@app 的@@可靠性是一个经常被遗忘的@@性能点@@；通常@@只有在@@出现问题时@@才会关注@@这一点@@。大多数可靠性问题都与@@温度相关@@：着火@@、参数改变@@、铁氧体破碎@@、性能下@@降等@@。因此@@，工程师必须设计@@和@@选择最优材料来提高产品@@的@@热性能@@。

本文描述了在@@不同情景中@@选择最优材料的@@相关性@@。首先@@，强调在@@变压器@@的@@所有@@188足彩外围@@app 之间建立良好的@@热熔体@@@@，实现热到@@冷却源之间的@@连续路径@@。

然后我们在@@测试中@@检验了像磁@@芯粘合剂@@这样的@@简单东西是如@@何将@@温度梯度从@@18℃降低到@@@@9℃的@@。

最后@@，我们确定了在@@某些情况下@@良好的@@导热塑料材料@@也可以提高散热@@性能@@；但在@@其他情况下@@则不能@@。当@@用树脂@@密封部件时@@@@，标准液晶聚合物塑料上@@的@@高导热塑料材料@@根本不会提高散热@@性能@@。树脂@@成本更高@@，因此@@照例最终决定是进行性价比权衡来选择材料@@。