單個LFPAK器件在不同配置的pcb上的熱性能的因素

單個LFPAK器件

本節(jié)將檢查影響單個LFPAK器件在不同配置的pcb上的熱性能的因素。從這一點開 始，當(dāng)討論疊層或結(jié)構(gòu)從器件中去除熱量的能力時，使用短語“熱性能”。為了全面了解影響熱性能的因素，我們將從最簡單的一層疊層的PCB開始，然后系統(tǒng)地向PCB中添加更多的層。

實驗設(shè)計1:單層PCB

最簡單的PCB疊層是單層銅;一個一層層疊。在實驗設(shè)計1中，我們將檢驗器件結(jié)溫(Tj)隨頂層銅面積的變化。參見圖1。

圖1所示。單個的器件;一層層疊

圖1展示了MOSFET器件，該器件安裝在邊長為“x”的第一層銅的正方形區(qū)域上，

FR4的尺寸為40mmx40mm。與此布局相對應(yīng)的三種可能的電路配置如圖2所示。

a.高邊負(fù)載開關(guān)設(shè)置:MOSFET

b.半橋設(shè)置:MOSFET，Q1和Q2

c.半橋設(shè)置:MOSFET，Q2和Q1

圖2所示。圖1布局的三種可能的電路配置。

圖2(a)顯示了MOSFET Q1配置為高邊負(fù)載開關(guān)，其漏極片連接到VCC平面(黃色)。圖2(b)和圖2(c)展示了MOSFETs Q1和Q2連接在半橋結(jié)構(gòu)中。這兩種器件都是主要的通過連接到漏極的冷卻平面，盡管對于Q2來說，這個平面相當(dāng)于半橋的中點，而不是電源平面。通過將平面附加到MOSFET源極上，還可以實現(xiàn)少量的額外冷卻，盡管源極引腳并不是從封裝中獲得的主要熱路徑，因此額外的好處是最小的。

一般來說，主要的熱路徑是通過封裝漏極片，進(jìn)入任何連接到這個連接的平面，這是本指南中要考慮的配置。

通過對不同尺寸的“x”進(jìn)行實驗設(shè)計，我們可以確定器件結(jié)溫度(Tj)隨銅面積的變化情況。結(jié)果如圖3所示。記住環(huán)境溫度是20℃。

圖3所示。器件結(jié)溫度與第一層頂銅面邊長“x”

圖3的圖形有兩個顯著的特征:

?Tj在很大程度上取決于邊長“x”，即第1層銅的面積

?頂層銅為MOSFET提供加熱的能力顯示了“邊際遞減規(guī)律”。換句話說，我們不能為了繼續(xù)減少Tj而在第一層增加更多的銅面積。相反，從曲線的形狀我們可以得出這樣的結(jié)論:無論在第1層提供的多少銅面積，Tj永遠(yuǎn)不會低于50℃。

第4.1.1節(jié)指出，實際上有兩個限制溫度不能超過:MOSFET的Tj和PCB材料的TPCB的溫度。對于表面安裝的MOSFETs，最大TPCB點通常出現(xiàn)在MOSFET漏極片上，正如人們可能期望的那樣。對于LFPAK封裝中的MOSFETs,TPCB通常會比Tj小0.5℃，因此我們可以合理地說TPCB≈Tj。這將對LFPAK封裝的其余實驗設(shè)計作出假設(shè)。

如果環(huán)境溫度保持在45℃以下，即使是第1層銅面積的較小區(qū)域也不會出現(xiàn)PCB降解的問題。

FR4尺寸對實驗設(shè)計的影響

第4.3.1節(jié)中FR4 PCB面積的選擇可能看起來既隨意又不能代表實際應(yīng)用中的PCB尺寸。然而，在這一節(jié)中，我們將看到光禿的FR4面積對器件(Tj)幾乎沒有影響。為了證明這一原理，我們對20mmx20mm、30mmx30mm、50mmx50mm的FR4尺寸進(jìn)行了額外的實驗設(shè)計，第1層銅面積固定在10mmx10mm。結(jié)果如圖4所示。

圖4：結(jié)溫與FR4邊長

圖4的結(jié)果表明裸FR4的尺寸對器件Tj幾乎沒有影響。這與圖3的結(jié)果形成了鮮明的對比，在圖3中我們改變了第1層銅面積。當(dāng)我們比較時，兩組結(jié)果之間的差異很容易理解銅和FR4的熱導(dǎo)率;銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為380w /(m.K)，而FR4的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.6W/(m.K)。由于熱導(dǎo)率是一種衡量熱量如何輕易地通過一種物質(zhì)的指標(biāo)，因此很明顯，即使是增加大面積的FR4(這是一種糟糕的熱導(dǎo)體)也遠(yuǎn)不如增加更小面積的高導(dǎo)熱銅有效。我們可以通過在模型中添加1層銅的不連通區(qū)域來進(jìn)一步說明FR4的絕緣特性，如圖5所示。

圖5：在50mm×50mm FR4板上增加一層銅

圖5顯示了50mm×50mm的FR4布局，其中1層大部分區(qū)域都充滿了大量的銅。在器件周圍留下了5mm的間隙，其封裝為10mmx10mm的銅面積。雖然我們可能已經(jīng)預(yù)料到額外的第1層銅會對器件Tj造成重大影響，但事實并非如此。由于設(shè)備周圍的隔離間隙和中間FR4的導(dǎo)熱性差，熱能無法利用額外的“散熱”區(qū)域。FR4以這種方式“隔離”熱源的能力很重要，將在第4.4節(jié)“兩個LFPAK器件”和第4.5節(jié)“四個LFPAK器件”中再次實驗設(shè)計。
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