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Les ingénieurs en conception de systèmes d'alimentation recherchent toujours des densités de puissance plus élevées sur des zones de carte plus petites, ainsi que des serveurs de centre de données et des stations de base LTE nécessitant des charges de courant élevées prenant en charge les FPGA, les ASIC et les microprocesseurs, qui consomment de plus en plus d'énergie. Pour atteindre des courants de sortie plus élevés, l'utilisation de Systèmes polyphasés augmente. Pour atteindre des niveaux de courant plus élevés sur une surface de carte plus petite, les ingénieurs en conception de systèmes ont commencé à abandonner les solutions d'alimentation discrètes et à opter pour des modules d'alimentation. C'est parce que les modules d'alimentation offrent une option populaire pour réduire la complexité de la conception de l'alimentation et résoudre les problèmes de mise en page de PCB associés aux convertisseurs DC / DC.
Cet article discute d'une approche multicouche de mise en page de PCB qui utilise une disposition de via pour maximiser les performances de dissipation thermique d'un module de puissance biphasé. Le module d'alimentation peut être configuré en sortie monophasée 20A à deux canaux ou en sortie biphasée 40A à un canal. L'exemple de PCB avec des trous traversants est conçu pour dissiper la chaleur du module d'alimentation afin d'obtenir une densité de puissance plus élevée, ce qui lui permet de fonctionner sans radiateur ni ventilateur.
Alors, comment ce module de puissance atteint - il une telle densité de puissance élevée? Grâce à l'utilisation du cuivre comme substrat, la résistance thermique apportée par le module d'alimentation représenté sur le schéma de la figure 1 est extrêmement faible, de seulement 8,5°c / W. Pour dissiper la chaleur du module de puissance, le module de puissance est monté sur une carte de circuit conducteur thermique à haut rendement avec des caractéristiques de montage direct.
La carte multicouche comporte une couche de câblage supérieure (sur laquelle est monté un gabarit d'alimentation) et deux plans de cuivre enterrés reliés à la couche supérieure par des vias. Une telle structure présente une conductivité thermique très élevée (faible résistance thermique), ce qui facilite la dissipation thermique du module de puissance.
Pour déterminer la résistance thermique de la couche de cuivre supérieure du PCB, nous prenons l'épaisseur (t) de la couche de cuivre et la divisons par le produit de la conductivité thermique et de la surface de la section transversale. Pour faciliter le calcul, nous utilisons 1 pouce carré pour la section transversale, à ce stade a = b = 1 pouce. La couche de cuivre a une épaisseur de 2,8 mil (00028 pouce). C'est l'épaisseur de 2 onces de cuivre déposé sur une zone de 1 pouce carré de la carte. Le coefficient K est le coefficient W / (in - °C) du cuivre dont la valeur est égale à 9. Ainsi, pour un tel flux de chaleur de cuivre de 2,8 mils de 1 pouce carré, la résistance thermique est de 00028 / 9 = 00003°c / W.
De ces figures, nous savons que la résistance thermique de la couche de 33,4 mils (T5) est la plus élevée. Tous les chiffres de la figure 4 montrent la résistance thermique totale d'une carte de circuit imprimé de 1 pouce carré à quatre couches, du haut vers le bas. Que se passe - t - il si nous ajoutons une connexion via du haut vers le bas du PCB? Analysons l'ajout de cette Connexion via.
Les trous traversants utilisés dans les cartes ont une taille de trou d'environ 12 mils (0012 pouce). Lors de la fabrication d'un trou traversant, percez d'abord un trou de 0014 pouce de diamètre, puis faites cuivrer. Cela ajoutera environ 1 Mil (0001 pouce) de cuivre à l'intérieur du trou. La carte de circuit imprimé utilise également le processus de placage enig. Cela ajoute environ 200 micropouces de nickel et environ 5 micropouces d'or à la surface extérieure du cuivre. Nous avons ignoré ces matériaux dans nos calculs et n'avons utilisé que du cuivre pour déterminer la résistance thermique des pores.
Pour un trou de 12 mils (diamètre), en utilisant cette formule, nous obtenons R0 = 6 mils (0006 pouce), R1 = 7 mils (0002 pouce) et k = 9 (cuivré).
La variable l est la longueur de la porosité (de la couche de cuivre supérieure à la couche de cuivre inférieure). Il n'y a pas de masque de soudage sur la carte du module d'alimentation de soudage, mais pour d'autres zones, les ingénieurs de conception de PCB peuvent avoir besoin d'installer un masque de soudage sur le dessus de chaque via. Sinon, la zone au - dessus du via sera vide. Étant donné que le trou traversant se connecte uniquement à la couche de cuivre externe, il mesure 63,4 mils (00634 pouces) de longueur. La résistance thermique de la longueur totale des Vias elle - même est de 167°c / W.
Notez que lorsque la chaleur descend à travers les pores et atteint une autre couche, en particulier une autre couche de cuivre, elle se propage latéralement à cette couche de matériau. L'ajout d'un nombre croissant de Vias finira par réduire cet effet, car la chaleur qui se propage latéralement d'un via à un matériau voisin finira par rencontrer de la chaleur provenant d'une autre direction (à partir d'un autre via). La plaque d'évaluation isl8240meval4z Mesure 3 "x 4". Les couches supérieure et inférieure de la carte contiennent 2 onces de cuivre et les deux couches internes contiennent chacune 2 onces de cuivre. Pour que ces couches de cuivre fonctionnent, la carte comporte 917 Vias de 12 mils de diamètre, qui contribuent tous à la propagation de la chaleur du module d'alimentation vers la couche de cuivre sous - jacente.
Mot de fin
Pour s'adapter à l'augmentation du nombre de pistes de tension et de microprocesseurs et FPGA plus performants, les solutions de gestion de l'alimentation avancées telles que le module d'alimentation isl8240m contribuent à améliorer l'efficacité en offrant une plus grande densité de puissance et une consommation d'énergie réduite. La mise en œuvre optimale des Vias dans la conception de PCB de modules d'alimentation est devenue un facteur de plus en plus important pour atteindre des densités de puissance plus élevées.
