Решения для отвода тепла от силовых приборов поверхностного монтажа

24 февраля

автомобильная электроникауправление питаниемWolfspeedстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Цзяньвень Шао, Франк Вэй, Синь Чжао, Джеймс Соловей (Wolfspeed)

Инженеры компании Wolfspeed на основании проведенного исследования рассказывают, как наиболее оптимально расположить переходные отверстия для отвода тепла от силовых приборов поверхностного монтажа в случае маломощных устройств, и как решить ту же проблему в многокиловаттных преобразователях энергии с помощью платы с керамической вставкой из нитрида алюминия.

В первой части статьи представлены рекомендации по проектированию переходных отверстий для отвода тепла (“thermal via”) в печатных платах (ПП) для относительно маломощных силовых устройств с поверхностным монтажом (surface mount, SMT). Проведено моделирование с целью сравнения различных массивов переходных отверстий для отвода тепла. Была изготовлена печатная плата с различными массивами переходных отверстий и измерено тепловое сопротивление. Результаты измерений подтверждают результаты моделирования.

Во второй части статьи представлено инновационное решение для печатной платы FR4 с керамической вставкой из нитрида алюминия (Alumina Nitride, AlN) для силовых устройств высокой мощности с поверхностным монтажом. Такая плата с AIN-вставкой обеспечивает одновременно высокую теплопроводность и электрическую изоляцию. Была также проведена работа по моделированию. Для проверки результатов моделирования изготовлена печатная плата. В заключение на основе печатной платы с AIN -вставкой разработан преобразователь мощности бортового зарядного устройства электромобиля мощностью 6,6 кВт.

Введение

Силовые компоненты в корпусах для поверхностного монтажа (SMD) – привлекательный вариант при конструировании крупносерийных силовых преобразователей, поскольку их применение упрощает автоматизацию производства. Однако стандартные SMD-корпуса (например TO263) зачастую уступают выводным аналогам (TO247) по уровню максимально допустимой рассеиваемой тепловой мощности. Теплопроводность печатных платах (ПП, Printed Circuits Boards, PCB) в основном определяется свойствами диэлектрических слоев. Для маломощных устройств наиболее экономически эффективным способом передачи тепла между слоями ПП является применение массивов переходных отверстий.

Однако выбор конфигурации массива для максимизации отвода тепла – нетривиальная задача. В большинстве работ [1][2][3] обсуждались конструкции с отводом тепла с помощью переходных отверстий, размещенных непосредственно под источником тепла. Тем не менее, существует проблема, связанная с применением омедненных переходных отверстий для теплоотвода на печатной плате [1], как показано на рисунке 1. Поскольку переходные отверстия для теплоотвода находятся под площадкой для пайки устройства, припой затекает в них во время процесса пайки. Это приводит к появлению дефектов в паяных соединениях устройств. Следовательно, срок службы паяных соединений сокращается. Чтобы избежать этой проблемы, монтажники могут заполнить такие переходные отверстия каким-либо наполнителем. Однако это не является стандартным технологическим процессом. Первая часть данной статьи посвящена расположению переходных отверстий для отвода тепла вокруг силового устройства. Целью является размещение переходных отверстий таким образом, чтобы они могли передавать максимум тепла.

Рис. 1. Дефекты пайки под устройством на печатной плате, образующиеся из-за вытекания припоя в омедненные переходные отверстия для отвода тепла

Рис. 1. Дефекты пайки под устройством на печатной плате, образующиеся из-за вытекания припоя в омедненные переходные отверстия для отвода тепла

На основании информации из литературы и от производителей [2][3] размер отверстий переходных отверстий для отвода тепла установлен 0,3 мм в диаметре, при этом расстояние в массиве между центрами 1,0 мм казалось очень хорошим выбором. Надо было только выбрать количество рядов на каждой стороне устройства. Были выбраны и промоделированы различные конфигурации массивов переходных отверстий. Для проверки моделирования были изготовлены ПП с разными переходными отверстиями и измерено тепловое сопротивление.

Для более мощных устройств использовать переходные отверстия с целью отвода тепла трудно, поскольку они имеют слишком высокое тепловое сопротивление. Общепринятой практикой является использование ПП на изолированной металлической подложке (ИМС, insulated metal substrate, IMS) [4], но компоновка ограничена из-за одного слоя такой ПП. Кроме того, ограничена и теплопроводность ПП, а следовательно – и плотность мощности системы. Недавно на рынке появилась новая технология гибридных подложек [5]. С помощью этой технологии можно встраивать куски AlN в определенную область печатной платы. Это позволяет все же использовать многослойную ПП  для сложных систем, подобно тому, как она используется в более простых. Проведено моделирование такой ПП с AlN-вставкой, также изготовлена ПП для проверки результатов.

Работа построена следующим образом: в разделе 2 описано моделирование переходных отверстий для отвода тепла и верификация ПП. В разделе 3 описывается и моделируется ПП с AlN вставкой. Для проверки результатов моделирования изготовлена ПП. В заключение на основе технологии ПП с AlN вставкой разработано бортовое двунаправленное зарядное устройство электромобиля мощностью 6,6 кВт.

Проектирование переходных отверстий для отвода тепла

Поскольку переходные отверстия для отвода тепла под устройствами приведут к затеканию припоя в них, что создаст нежелательную проблему при пайке, в данном исследовании переходные отверстия расположены вокруг устройства поверхностного монтажа, как показано на рисунке 2. Цель исследования – определить, какая конфигурация расположения отверстий (“паттерн”) является наилучшим решением для максимизации теплопроводности (или снижения теплового сопротивления). В ходе оптимизации будет определено оптимальное количество отверстий по осям X и Y. На основании информации из литературы и от производителей диаметр отверстий установлен 0,3 мм, расстояние в массиве между центрами 1,0 мм.

Рис. 2. Паттерн переходных отверстий для отвода тепла вокруг площадки устройства

Рис. 2. Паттерн переходных отверстий для отвода тепла вокруг площадки устройства

Выбраны и промоделированы различные паттерны массивов. Работа по моделированию направлена на корпус D2PAK. В данном случае моделируется 7-выводной SiC МОП-транзистор в корпусе D2PAK и ПП с двумя медными слоями. Толщина слоя меди составляет 70 мкм (2 oz, ~60 mil), а общая толщина ПП 1,6 мм. Различные паттерны отверстий формировали 5 и 10 рядов с трех сторон устройства. Третья схема заключается в том, что переходные отверстия заполняют всю площадь меди 1 × 1 дюйм (25,4 х 25,4 мм). Паттерны для сравнения показаны на рисунке 3, где показана только половина массива, поскольку он симметричен.

Рис. 3. Массивы переходных отверстий каждой модели. Слева направо, A: 5 рядов; B: 10 рядов, C: квадрат 1 кв. дюйм (25,4 на 25,4 мм)

Рис. 3. Массивы переходных отверстий каждой модели. Слева направо, A: 5 рядов; B: 10 рядов, C: квадрат 1 кв. дюйм (25,4 на 25,4 мм)

Все использованные при моделировании материалы показаны в таблице 1.

Таблица 1. Материалы, использованные при моделировании

Материалы Теплопроводность
Вт/м2
Удельная теплоемкость
Дж/(кг × K)
Плотность
кг/м³
Карбид кремния, SiC 4900 750 31003
Припой 50 167 8400
Медь 386 380 8954
Формовочный компаунд 0,99 820 1980
FR4 0.3 950 1800
Воздух 0,0257 100,75 1,205
Нитрид алюминия, AIN 170 740 3260

На рисунке 4 показывает моделирование распространения тепла в модели B. Граничное условие моделирования – фиксированный коэффициент нижней конвекции 1200 Вт/м2. Потери силового устройства составляют 6 Вт. Тепло распространяется до 10-го переходного отверстия, но значительно уменьшается после 6-го. Тепло распространяется не по всем переходным отверстиям, что означает, что простое увеличение их количества не поможет решить проблему.

Рис. 4. Распределение тепла при симуляции модели B

Рис. 4. Распределение тепла при симуляции модели B

Результат моделирования показан в таблице 2. ϴплаты – тепловое сопротивление ПП вместе с переходными отверстиями для отвода тепла.

Таблица 2. Результаты моделирования

Вариант ϴпереход-корпус °C/Вт ϴпайки °C/Вт ϴплаты °C/Вт
A 0,51 0,02 3,92
B 0,51 0,02 3,62
C 0,51 0,02 3,92

Для проверки тепловой модели и результатов моделирования были изготовлены ПП с тремя паттернами (рисунок 5), и тепловое сопротивление ПП со спроектированными массивами переходных отверстий было измерено экспериментально.

Рис. 5. ПП с разными массивами переходных отверстий для отвода тепла

Рис. 5. ПП с разными массивами переходных отверстий для отвода тепла

Все измерения показали тепловое сопротивление около 4 C/Вт. Из-за вариаций и других неконтролируемых факторов во время измерений результаты замеров не полностью соответствуют результатам моделирования. Но они близки к результатам моделирования.

Из результатов моделирования и эксперимента следует, что тепловое сопротивление переходных отверстий для отвода тепла высокое, что и ожидалось. Это подходит только для маломощных устройств.

На основании этого исследования можно дать следующие рекомендации по проектированию массивов переходных отверстий для отвода тепла:

  • Избегайте размещения сквозного отверстия под контактом для пайки, чтобы предотвратить вытекание припоя через отверстия, что может ослабить надежность паяного соединения.
  • Рекомендуемый размер отверстий – 0,3 мм в диаметре с межцентровым расстоянием в массиве 1,0 мм. Размер и расстояние между переходными отверстиями могут варьироваться в зависимости от возможностей производства.
  • Рекомендуется использовать переходные отверстия для отвода тепла из меди толщиной 35 мкм, что обеспечивает улучшение тепловых характеристик и не столь высокие дополнительные затраты на изготовление.
  • Переходные отверстия, равномерно распределенные в массиве во всех трех направлениях, могут снизить тепловое сопротивление сильнее, чем большой массив переходных отверстий размером 1,0 × 1,0 дюйма (25,4 × 25,4 мм), обеспечивая лучшие тепловые характеристики.
  • Распространение тепла в массиве переходных отверстий ограничено 10 мм от каждого края устройства с теми же параметрами, что и в данной работе. Рекомендуется использовать массив переходных отверстий, содержащий не менее пяти отверстий от каждого края устройства, но более 10 – бесполезно.

Проектирование платы со вставками AlN

В случае мощных устройств, таких как бортовое зарядное устройство электромобиля или автономное зарядное устройство, использовать для передачи тепла переходные отверстия непрактично. Другой подход заключается в использовании ПП на изолированной металлической подложке (Insulated Metal Substrate, IMS) [4], но трассировка ПП ограничена одним слоем из-за металлической подложки. Управляющие сигналы должны приходить с другой ПП через разъемы, что может создать проблемы с надежностью. Кроме того, теплопроводность ПП ограничена, соответственно, ограничена и плотность мощности системы. В светодиодных устройствах [5] была использована новая ПП FR4 с керамической вставкой (AlN). AlN обеспечивает одновременно хорошую электрическую изоляцию и теплопроводность. Это позволяет использовать обычную многослойную ПП для сложных схем, но в литературе нет данных об использовании такой ПП с AlN вставкой для силовых устройств.

Поэтому было проведено моделирование ПП с AlN. Моделирование ПП со вставками AlN аналогично моделированию моделей ПП с переходными отверстиями для отвода тепла. Единственное отличие заключается в том, что встроенные теплопроводящие блоки AlN находятся между верхними и нижними площадками из меди на ПП, а не в переходных отверстиях.

Блок AlN имеет размеры 6,5 × 10,5 мм и толщину 1,6 мм. Результат моделирования на рисунке 6 показывает практически полное отсутствие распространения тепла. Тепло передается через блок AlN непосредственно на нижнюю часть печатной платы.

Рис. 6. Тепловое моделирование ПП со вставкой AlN

Рис. 6. Тепловое моделирование ПП со вставкой AlN

Моделирование показало, что блок AlN обеспечивает тепловое сопротивление 0,21 C/Вт. Был изготовлен прототип ПП с AlN, как показано на рисунке 7. Блок AlN находится под квадратной посадочной площадкой силового устройства размером 6,5 × 10,5 мм.

Рис. 7. Часть печатной платы с AlN

Рис. 7. Часть печатной платы с AlN

Результаты лабораторных испытаний подтверждают, что тепловое сопротивление ПП с AlN составляет 0,23 C/Вт. Такая ПП с AlN вставками отлично подходит для мощных устройств, так как она не только имеет очень низкое тепловое сопротивление, но и обеспечивает электрическую изоляцию. Поскольку она встроена в обычную многослойную ПП, она может увеличить плотность мощности больше, чем решение с металлической подложкой. На основе технологии ПП со вставкой AlN было разработано двунаправленное бортовое зарядное устройство электромобиля мощностью 6,6 кВт (рисунок 8) [6]. Она успешно обеспечивает хороший теплоотвод для столь мощного устройства с пиковым КПД системы >96,5%. Более подробную информацию можно найти в статье [6].

Рис. 8. Печатная плат 6,6 кВт бортового зарядного устройства электромобиля на SiC MOSFET поверхностного монтажа

Рис. 8. Печатная плат 6,6 кВт бортового зарядного устройства электромобиля на SiC MOSFET поверхностного монтажа

Заключение

В данной статье представлен рекомендуемый паттерн переходных отверстий для отвода тепла от силовых устройств поверхностного монтажа при малой мощности. Конструкция переходных отверстий для отвода тепла совместима со стандартным производственным процессом. Для устройств высокой мощности смоделирована и экспериментально проверена инновационная ПП с вставками AlN. Ее превосходные тепловые характеристики весьма перспективны для применения в многокиловаттных преобразователях. Для демонстрации параметров технологии ПП со вставками AlN было изготовлено двунаправленное бортовое зарядное устройство электромобиля на базе SiC MOSFET мощностью 6,6 кВт.

Литература

  1. Cree Application note, Optimizing PCB Thermal Performance for Cree XLamps LEDs.
  2. Deepak Gautum, “A Comparison of Thermal Vias Patterns used for Thermal Management in Power Converter,” 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
  3. Kafadarova, A. Andonova, PCB Thermal Design Improvement Through Thermal Vias. Recent Advances in Circuits, Systems, Electronics, Control and Signal Processing.
  4. IMS PCB
  5. Technology Characteristics & Advantages
  6. Frank Wei, etc, “New Surface Mount SiC MOSFETs Enable High Efficiency High Power Density Bi-directional On-Board Charger with Flexible DC-link Voltage”, IEEE APEC 2019.

Оригинал статьи

Перевел Дмитрий Васильев по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED

Компания Wolfspeed является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них – рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Wolfspeed производит высоковольтные SiC диоды, SiC MOSFET, SiC силовые моду ...читать далее

Товары
Наименование