APPLICAZIONI DI DJOSER A CIRCUITI DI POTENZA

L’ultimo esperimento è stato condotto su un circuito elettronico consiste in un regolatore di potenza per motociclette prodotto dalla MITSUBA EUROPE e mostrato nella fig. 4.1.1.

I principali dispositivi che dissipano potenza termica, e che possono essere pertanto assimilati ai riscaldatori precedentemente utilizzati sono i tre mosfet di potenza ed i tre diodi di potenza a giunzione che supportano fino a 40 A di corrente. Questi dispositivi sono montati sulla scheda in configurazione a circuito scoperto, con fino a 50 contatti in oro che collegano la superficie superiore esterna con la metallizzazione di rame. Il circuito è montato su un substrato di alluminio con alta stabilità meccanica e alte

FIG 4.1.1 Circuito di potenza gentilmente concesso dalla MITSUBA EUROPE con l’evidenziazione del particolare studiato con DJOSER

capacità di dissipazione termica. Analizziamo, come evidenziato in fig. 4.1.1,il diodo di potenza. Mat. Lx*Ly mm2 Lz mm k W/m° C Contact Resistance mm2°C/W Al-Si 4x3 0.03 161 Si * 4x3 0.3 131 Tin solder (0.5) Cu 18x18 0.07 386 Insulator (230) Al 32x32 2 204 Thermal grease (350) Power =* 7.04 W

Come risulterà evidente in seguito, lo strato più critico da un punto di vista termico è il sottile strato isolante che ricopre il substrato di alluminio. Questo è composto da resina epossidica e ossido di silicio.

Come si può vedere specialmente nell’ingrandimento riportato in fig. 4.1.1,lo strato di silicio è posto giusto nell’angolo della metallizzazione di rame che è separata fisicamente dalle altre metallizzazioni. circostanti La potenza elettrica viene dissipata da tutta l’area dello strato di silicio, sotto la metallizzazione d’alluminio.

Il circuito è stato posto su un termostato a 23°C e testato a diverse potenze elettriche, da 0.2 a 11W, utilizzando i dati raccolti per compiere misurazioni della resistenza termica , e mappature termografiche della struttura. A tal fine l’oggetto è stato coperto con nero fumo per rendere uniforme l’emissività. Utilizzando i valori medi del riscaldatore, entrambi i metodi portano al medesimo risultato di resistenza termica che per il diodo è di 8.2 °C/W.

Il modello di simulazione termica di DJOSER è stato costruito sulla base dei dati contenuti nella tabella soprastante, localizzando la dissipazione di potenza alla sommità dello strato di silicio sotto la metallizzazione , rispettando la asimmetria dello strato di rame e trascurando il contributo della convezione termica con l’ambiente. Le uniche differenze nel modello analizzato da DJOSER sono che il sottile strato sotto il silicio e il sottile strato isolante sopra il substrato di alluminio sono stati omessi e rimpiazzati da una resistenza termica di contatto equivalente sotto il silicio e lo strato di rame. Infatti per come l’isolante è pensato, la presenza d’un sottile strato di materiale ad alta

resistività termica rappresenta la situazione più critica per l’affidabilità di DJOSER, che potrebbe conseguentemente fornire risultati non corretti. Probabilmente ciò è dovuto al fatto che in questo caso la matrice del sistema algebrico da risolvere può diventare mal condizionata.

I valori della resistenza termica di contatto per lo strato isolante e per quello del grasso fra il termostato ed il substrato sono state così misurate con il TRAIT [7,8]. Otteniamo circa 230mm2°C/W per l’isolante, più di quanto non ci aspettassimo partendo dalla conducibilità della resina epossidica (1.8 W/m°C) fornita dal venditore: questo valore è comunque in accordo coi dati trovati in letteratura circa la resistenza termica di diversi tipi di substrati IMS [9]. Usare infatti una fibra di ossido di silicio comporta un aumento della resistenza termica per unità di area.

Quella mostrata in fig. 4.1.2 è la termografia con relativa scala di temperatura. Nella fig. 4.1.3 invece viene evidenziato il confronto fra la mappa termografica (A) e quella simulata (B). Inoltre è stato comparatala distribuzione di temperatura lungo la sezione trasversa segnata sulla mappa (A).Come si può notare l’andamento è pressoché identico fuorché per la parte centrale dove l’effetto dissipativi dei collegamenti in oro si fa sentire. Più oltre possiamo notare un campo di temperatura concentrato sull’angolo della struttura. Questo effetto del resto era già analizzato quando avevamo discusso gli effetti della dissimmetrizzazione dei campioni.

FIG 4.1.3 a) mappa termografica sperimentale del diodo a giunzione; B)mappa della temperatura simulata C) confronto fra la temperatura sperimentale e simulata riportata lungo

CONCLUSIONI

In conclusione gli esperimenti sopra esposti dimostrano che il programma di simulazione DJOSER può dare risultati affidabili per le mappe di temperatura di dispositivi di potenza e circuiti aventi la usuale struttura di assemblaggio planare e dunque è possibile proporlo come uno strumento veloce e facilmente programmabile per gli studi termici di queste strutture.

Abbiamo visto che il maggior limite di applicabilità di questo programma è l’assunzione di caratteristiche termiche uniformi in ogni strato componente la struttura e delle relative condizioni al contorno. Questo implica che molti dettagli strutturali del package come i pin metallici esterni, le thermal vias attraverso gli strati, i bounding wires, non possono essere presi in considerazione.

Pur tuttavia presenta degli innegabili vantaggi di risparmio di elaborazione a parità di accuratezza nella maggiore parte dei dispositivi che rendono DJOSER non solo competitivo con FEM, ma addirittura preferibile per le aziende di progettazione di dispositivi elettronici.

La futura implementazione di DJOSER permetterà peraltro di ridurre se non di annullare le fonti di errore che derivano dal troncamento delle serie algebriche e prevedendo fenomeni convettivi importanti (convezione forzata e convezione attraverso fluidi), migliorando ulteriormente le prestazioni ed il range di applicabilità di DJOSER.