Bố trí PCB thích hợp là rất quan trọng về mặt tản nhiệt. Công nghệ đóng gói flip-chip QFN sáng tạo đang giúp đạt được mục tiêu đó.
Bộ biến đổi điện một chiều DC-DC là một mạch điện chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) từ mức điện áp này sang mức điện áp khác bằng cách lưu trữ tạm thời năng lượng đầu vào và sau đó giải phóng năng lượng đó cho đầu ra ở một điện áp khác. Bộ chuyển đổi bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi nguồn điện quá mạnh hoặc tăng mức công suất đầu vào của hệ thống để đảm bảo thiết bị chạy đúng cách. Việc đẩy mật độ công suất lên cao hơn và nhu cầu về hiệu suất cao hơn khiến bộ chuyển đổi DC-DC mô-đun trở thành một môi trường đòi hỏi khắt khe đối với các IC nguồn, đòi hỏi các nhà thiết kế phải đặt ra các tiêu chuẩn mới về khả năng chịu nhiệt và hiệu suất thể tích.
Tất cả các bộ chuyển đổi DC-DC đều tiêu tán công suất dưới dạng nhiệt. Nhiệt này phải được quản lý đúng cách để bộ chuyển đổi duy trì hoạt động trong giới hạn nhiệt độ khuyến nghị nhằm nâng cao độ tin cậy và ngăn ngừa hỏng hóc sớm. Với các thành phần nguồn/năng lượng có trong các gói gắn kết bề mặt nhỏ hơn và nhỏ hơn, điều quan trọng là phải giảm bớt nhu cầu tản nhiệt của các thành phần này. Thật không may, khi các bộ phận điện tử nhỏ hơn, việc đảm bảo diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí trở nên khó khăn hơn để đạt được hiệu quả tản nhiệt.
Đặc biệt, quản lý nhiệt rất quan trọng trong việc phát triển xe hybrid và xe điện vì chúng chứa nhiều mô-đun năng lượng mật độ cao. Trong quá trình hoạt động, các thiết bị điện tử công suất EV tạo ra một lượng nhiệt lớn (hàng trăm watt trên mỗi khuôn), dẫn đến thông lượng nhiệt lớn ở cấp khuôn và gói. Hơn nữa, nhiệt độ dưới mui xe có thể lên tới trên 150 °C, tùy thuộc vào điều kiện hoạt động.
THIẾT KẾ PCB PHÙ HỢP
Nếu không có cách bố trí bảng mạch in (Printed-Circuit-Board PCB) chu đáo để tản nhiệt, việc sử dụng các vi mạch 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 vì thiết kế nhiệt phải đảm bảo rằng nhiệt độ mối nối không vượt quá nhiệt độ danh định của các thành phần năng lượng (chuyển đổi FET), là nguồn nhiệt chính.
Các gói PMIC (Power management integrated circuit) dành cho ô tô hiện nay thường được trang bị một miếng đệm tiếp xúc (EP) để liên kết nhiệt nền để ngay cả các bộ phận điện tử nhỏ cũng có thể tản nhiệt hiệu quả qua EP và PCB. Hầu hết nhiệt được tạo ra bởi các IC nguồn sẽ tản ra khỏi EP ở mặt sau của gói.
Sử dụng PCB hai lớp cho thiết kế bộ nguồn ô tô có thể tiết kiệm đáng kể chi phí hệ thống so với cách tiếp cận bốn lớp lớn hơn. Đáng tiếc, sự cân bằng này theo truyền thống đã làm giảm hiệu suất nhiệt.
Khi sử dụng bảng hai lớp, cần phải cẩn thận hơn so với sử dụng bảng đa lớp. Tại sao? Bảng mạch đa lớp thường có một lớp vết trên cùng mà trên đó mô-đun được gắn và hai mặt phẳng đồng (Cu) ẩn được kết nối với Vias đến lớp trên cùng.. Cấu trúc này có thể có độ dẫn nhiệt rất cao (khả năng cản nhiệt thấp), cho phép nhiệt dễ dàng thoát ra khỏi mô-đun.
Tuy nhiên, bảng hai lớp không có mặt phẳng Cu bên trong, vì vậy khả năng chịu nhiệt có thể cao hơn so với bảng nhiều lớp. Hơn nữa, vì cả hai mặt thường được sử dụng làm lớp dây dẫn nên rất khó để có mặt phẳng Cu. Ngay cả khi một mặt phẳng Cu được kết nối với mặt phẳng nền ở mặt sau của EP thông qua Vias, mặt phẳng mặt nền sẽ được phân chia bằng hệ thống dây.
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT NHIỆT FLIP-CHIP IC
Một gói kích thước nhỏ phổ biến là một flip-chip IC (IC chip lật). Với công nghệ flip-chip, các IC được lắp đặt úp xuống trong gói với các kết nối điện giữa chip và chất nền thông qua việc tiến hành “bump” và phần được làm nóng của vi mạch hướng xuống đáy của gói. Công nghệ chip lật đã được sử dụng trong các giải pháp cung cấp năng lượng tiêu dùng, công nghiệp và ô tô trong nhiều năm. Một ưu điểm quan trọng của việc lắp ráp chip lật là tính nhỏ gọn, giúp giảm kích thước và trọng lượng so với các gói ngoại quan bằng dây truyền thống. Tuy nhiên, việc giảm kích thước này đã làm cho việc giảm thiểu nhiệt trở nên khó khăn hơn vì một số lý do.
Thông thường không có miếng đệm gắn khuôn nhiệt để tản nhiệt. Do đó, cần tối ưu hóa bố cục để giảm nhiệt độ vi mạch cho các thiết bị chip lật. Chúng không có tấm tản nhiệt để tạo đường dẫn nhiệt cao để thoát nhiệt ra ngoài và giữ cho IC luôn mát.
Vì vậy, một số sửa đổi bố cục là bắt buộc. Vì có một kết nối trở kháng thấp giữa khuôn và gói, nó cung cấp một đường dẫn nhiệt thoát ra qua mỗi chân của IC. Ví dụ: hãy xem xét bộ chuyển đổi chip lật TI LMR36015-Q1. LMR36015-Q1 nằm trong gói HotRod cho phép EMI thấp, hiệu suất cao hơn và tỷ lệ gói trên khuôn nhỏ nhất. Thiết bị yêu cầu ít thành phần bên ngoài. Hình dưới cho thấy sơ đồ chân của LMR36015-Q1.
Bố cục được tối ưu hóa bằng nhiệt cho phép bộ chuyển đổi chip lật được đánh giá ở 150 °C, xử lý đầu vào đến 60 V và cung cấp dòng lên đến 1,5 A. Nó cũng có thể hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh cao tới 115 °C, đủ đường biên trên yêu cầu môi trường xung quanh 105 °C tồn tại trong môi trường ô tô khắc nghiệt.
Không có tấm tản nhiệt có nghĩa là hầu hết nhiệt sẽ thoát ra ngoài qua các chân của IC và vào bo mạch. Các thiết bị chip lật có kết nối trực tiếp từ khuôn đến chân để tăng khả năng dẫn nhiệt. Và một số chân được kéo dài ra để thoát nhiệt nhiều hơn.
Kết nối các chân với các vết đồng lớn và các rãnh đa giác (các khu vực nhiều mặt của đồng) làm giảm điện trở nhiệt và kéo nhiều nhiệt hơn ra khỏi gói. Các chân nối đất (PGND) (chân 1 và 11 trong Hình trên) kết nối với một mặt nền lớn giúp phân phối nhiệt tốt và có thể được sử dụng để tách nhiệt từ IC.
Các chân khác cũng có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất nhiệt. Ví dụ, Chân 6 là mặt nền tiếp đất tương tự (AGND), cũng có mặt phẳng tiếp đất lớn và vias nhiệt. Chân 2 và 10 là chân điện áp đầu vào (VIN), giống như chân PGND, có các vết sưng (bump) bằng đồng lớn bên trong để tăng công suất dòng điện và cải thiện độ dẫn nhiệt để tản nhiệt tốt hơn.
GÓI QFN HOTROD NÂNG CAO
HotRod quad phẳng không chì (QFN) của TI (Texas Instruments) là một gói nhựa tăng cường nhiệt sử dụng công nghệ khung dẫn bằng đồng (Hình dưới). Nó loại bỏ các liên kết dây thiết bị nguồn bằng cách gắn thiết bị nguồn và/hoặc khuôn trực tiếp vào khung dẫn. Việc xây dựng này dẫn đến việc đóng gói hiệu quả về chi phí, cải thiện hiệu suất điện và nhiệt so với các gói truyền thống có chì. Bằng cách loại bỏ kết nối dây liên kết giữa khuôn và khung dẫn, HotRod QFN cũng giảm thiểu điện trở và điện cảm ký sinh của gói.
Gói QFN HotRod nâng cao của TI (Texas Instruments) tận dụng các cải tiến về tiếng ồn của gói chip lật trên khung dẫn (flip-chip-on-leadframe FCOL) và các ưu điểm về nhiệt của gói QFN tiêu chuẩn. Bằng cách sử dụng công nghệ gói QFN tiêu chuẩn, gói HotRod QFN nâng cao sử dụng gói IC PowerPad trung tâm để tản nhiệt. Trong bộ chuyển đổi hạ áp đồng bộ LM60440, 4 A đạt được ở nhiệt độ xung quanh 85 °C. Bộ chuyển đổi DC-DC LM60430-Q1 của TI cũng cung cấp công nghệ gói HotRod QFN nâng cao.
KẾT LUẬN
Đối với các ứng dụng ô tô, bộ chuyển đổi DC-DC được đánh giá dựa trên các chỉ số hiệu suất chính như hiệu suất, kích thước, tiếng ồn và hiệu suất nhiệt. Các biện pháp đối phó nhiệt là cần thiết khi xử lý vấn đề tản nhiệt của bo mạch. Công nghệ gói được sử dụng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của số liệu này và công nghệ gói cho hiệu suất nhiệt tốt nhất phụ thuộc vào các quy tắc thiết kế PCB được sử dụng trong ứng dụng.
Bài viết này đã thảo luận về các chiến lược có thể được thực hiện trong cách bố trí để tối ưu hóa hiệu suất nhiệt. Nó cũng chứng minh rằng mặc dù gói flip-chip quad phẳng không chì (HotRod) thường thiếu tấm tản nhiệt lớn ở dưới cùng của gói QFN tiêu chuẩn, nó có thể tối đa hóa hiệu suất nhiệt. Đó là bởi vì các kết nối trở kháng thấp giữa khuôn và các chân gói cung cấp một đường dẫn nhiệt ra khỏi các chân IC. Hơn nữa, bằng cách sử dụng công nghệ gói QFN tiêu chuẩn, gói TI Enhanced HotRod QFN, sử dụng gói IC PowerPad trung tâm, là một phương tiện hiệu quả để tản nhiệt.
UpVehicle
