ZHCAA86A October 2020 – February 2021 LMG3422R030 , LMG3422R050 , LMG3425R030 , LMG3425R050
为了验证热仿真结果,设计并采用一个测试台装置来测量热阻。此外,选择采用 QFN 12x12 封装的 30mΩ 器件 (LMG342xR030) 来研究仿真结果与实验结果的一致性。根据仿真模型结构设计,已经填充了一块用于热测试的 4 层 PCB,并在其中心部位安装了一个 LMG342xR030 器件。图 5-1如 中所示,测试介质被压在一块加工过的冷板(Hi-Contact 六流道,Aavid)上,压力约为 20psi(由板四角上的安装螺钉提供)。在裸露的 PCB 底部铜焊盘和冷板之间插入 1mm 厚的导热垫 TIM(GR80A,Fujipoly),冷板与冷却装置(6560M,PolyScience)相连,流动的冷却液温度为 30°C。为了测量冷却平面温度 (TC/P),热电偶尖端通过一个直径为 2.5mm 的盲孔置于距冷板顶面下方 2mm 处。TC/P 由数据记录器(OM-2041,Omega)读取和记录。为了在封装内部产生可控损耗,使用直流电来加热器件结,并通过测量整个测试单元的电压和电流计算耗散功率。
在热阻测量过程中,以被监测器件的导通电阻 (RDS,ON) 作为温度敏感参数来计算结温 (TJ)。在测试之前,测试单元的 RDS,ON – TJ 相关性在一个热室(107,TestEquity)内进行校准,器件结在该热室中通过温控环境被动加热。由于测量电流小到只有 80-100mA,器件结的主动加热效应显著降低。图 5-2 所示为使用一个拟合公式在测量温度范围 25-125°C 内得出的示例校准曲线。估计 TJ 的另一种方法是在测试期间使用红外 (IR) 热像仪直接测量封装顶部的热点。Topic Link Label3.1正如 中提到的,在高效率的底面冷却系统中,从封装顶部散发的热量极少。因此,测得的外壳顶部温度非常接近于器件的 TJ。
图 5-3 所示为在不同耗散功率下测试的 LMG342xR030 器件的最高外壳顶部温度。图 5-4 中总结了分别根据 RDS,ON – TJ 相关性和红外测量计算得出的 RθJC/P 的测试结果。在三种不同的测试功率级别下,两种方法得到的 结果没有显著差异。图 4-5此外,还可观察到仿真结果与实验结果吻合程度良好(偏差 < 8%),这验证了封装竞争分析中的热仿真结果,如 中所示。从测量结果来看,RθJC/P 稍高的原因是仿真模型未考虑测试介质和设置的缺陷,例如,PCB 散热过孔套管开裂、器件散热焊盘与 PCB 安装区域之间接合层中的焊点空洞,以及施加在 TIM 上的压力不均匀。
图 4-5如 中所示,对于所研究的冷却系统,RθTIM 占 RθJC/P 的 40% 以上,这对于实际应用中的整体系统热性能 (RθJA) 至关重要。然而,不同制造商在数据表中公布的 TIM 的导热系数难以作为后续选材的依据,因为它们并非始终使用相同的方法测量。因此,最好进行基准测试,以选择要在系统中使用的合适 TIM。本文采用相同的实验设置对不同的 TIM 进行了测试,以比较它们的散热特性。表 5-1 中总结了测试结果及其他相关信息。结果表明,使用由同一家制造商生产的厚度更薄 (0.5mm) 的相同 TIM (GR80A) 或导热性能更好的 TIM (GR130A) 可以有效地降低 RθJC/P。从另一个供应商处获得的 TIM A 材料显示出与基准 GR80A TIM 相似的热性能,但其数据表中报告的热导率较低;而 TIM B 材料列出了 20W/mK 的高热导率,但其性能相当于 GR130A TIM(宣称的热导率为 13W/mK)。胶带是另一种常用的 TIM,在初次安装后不需要额外的夹紧力来将冷却元件固定在 PCB 或其他受热面上。这种材料更便宜,但它的热阻比导热垫高。表 5-1 中所列 TIM C 的测试结果以一个示例的形式给出。使用胶带 TIM 时测得的 RθJC/P 远高于使用厚得多的导热垫 TIM 时测得的结果。
产品 | 类型 | 厚度 (mm) | 数据表中的热导率 (W/mk) | 成本 | RθJC/P (°C/W) |
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GR80A | 导热垫 | 1 | 8 | x1 | 2.58 |
GR80A | 导热垫 | 0.5 | 8 | X0.7 | 2.33 |
GR130A | 导热垫 | 1 | 13 | x3 | 2.21 |
TIM A | 导热垫 | 1 | 7.5 | X1.1 | 2.60 |
TIM B | 导热垫 | 1 | 20 | X2 | 2.26 |
TIM C | 胶带 | 0.25 | 1.2 | x0.07 | 5.72 |