The Evaluation of the Thermal Performance for TO-252 Package

Content

1. Introduction
2. The CAD model 
3. The CFD model
4. The comparison of the experiment results and simulation results
5. The effect of various Epoxy materials on thermal performance

Introduction

1. The objective of the study is to evaluate the thermal performance
   of  TO-252 package chip by thermal simulation & testing
2. Some concerns can be effectively studied by simulation method, 
   such as
   1. The determination for thermal conductivity of PCB (fixture) 
   2. The effect of power input wire on the thermal performance 
      of TO-252 package chip

CAD Model (Single Chip) 

Numerical Simulation - CFD Model (Single Chip) 

CFD (Computational Fluid Dynamic) code 
– CFdesign 5.0, BRNI, USA
– Thermal/velocity analyses

Material Properties & BC's 

Material properties 
    - k of compound  “ SUMIKON” EME-1100K  0.628W/m K 
    - k of epoxy 84-1L MISER4: 2.5W/m K 
    - k of copper: 387W/m k

Boundary conditions 
    - Ambient 26 degree C according to experiment 
    - Natural convection

The Surface Temperature Profile (Single Chip) 

Discussion:
The power input wires also play a role of heat sink to 
TO-252 chip, so we add power input wires to model to increase
the accuracy of the simulation (next page)

The Effect of Wire on Temperature

The effect of various Epoxy materials  on thermal performance (Single Chip)

The Temperature Profile for various cutting planes (1) 

The Temperature Profile for various cutting planes (2)

Estimate for equivalent k of PCB by Simulation

PCB is the combination of FR4 ( k = 0.3 W/m K )and copper (k = 387 W/m K ), so it is easy to determine k of the PCB by simulation.

Results:
Experiment: the temperature of point A is 149.5 degree C
Simulation (k of PCB = 0.3 W/m K ): the temp.of point A is 175.448 degree C
Simulation (k of PCB = 0.44 W/m K ): the temp. of point A is 150.793 degree C

According to the simulation, one get the equivalent k = 0.44 W/m K.

Temperature Profile from Simulation v.s. Thermal Imaging

The comparison of various Epoxy materials  on thermal performance(on PCB)

Conclusions

- 實驗結果與模擬結果之晶體表面溫度量測誤差為0.37%

- 量測晶體熱傳效能的過程當中,會使用到製具,如PCB,電源線等,會影響到實驗之正確性,應用模擬的方式可以有效地將其影響的程度清楚地釐清

- 印刷電路板之等效熱傳導係數會隨其上之電路佈局而改變,可以同時運用實驗及模擬的手法得到等效熱傳導係數.

- 運用CFD數值模擬,可方便進行parametric study, 分析過程可以發現, epoxy的熱傳導係數, 在兩種不同的測試方法中(single chip 及 chip on board) 對於junction 溫度的影響有不同之差異, 故晶體之熱傳效能的評估方式必須根據晶體實際之操作環境而定(single chip or chip mounted on board or on heat sink)