Entegre sürücü devresinin elektronik bileşenlerinin ısıl analizi ve tasarımının ısıl yönetime etkisi
Thermal analysis of electronic components of integrated driver circuit and effects of design on thermal management
Yazar: NEDİMCAN ÖNDER
Danışman: DOÇ. DR. KEMAL FÜRKAN SÖKMEN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Elektronik kontrol üniteleri, teknolojinin gelişmesiyle boyutsal olarak küçülmesine karşın kullanılan devre eleman sayısında artış yaşamaktadır. Yaşanan gelişmeler doğrultusunda elektronik kontrol ünitelerinin ısı akı üretimlerinde artış gözlemlenmiştir. Isı akısındaki artış nedeniyle elektronik kontrol ünitelerinin performansında ve kullanım ömürlerinde düşüş yaşanmaktadır. Bu durumu önlemek amacıyla elektronik kontrol ünitelerindeki ısıl yönetimi üzerine bir çok çalışma gerçekleştirilmektedir.
Elektronik kontrol ünitesinin bakır katman sayısının ve alt tabaka malzeme değişikliğinin ısıl yönetime etkisini araştırmak amacıyla deneysel ve sayısal yöntemler kullanılmıştır. Elektronik kontrol ünitesi, çalışma koşullarındaki elektronik kartın ısı dağılımını incelemek amacıyla deneysel çalışmalarda termokupl, sayısal çalışmalarda FloEFD programı kullanılmıştır.
Tez kapsamında, alt tabakası FR4 2 bakır katmanlı elektronik kontrol ünitesi, sayısal ve deneysel yöntemler kullanılarak incelenmiştir. Yapılan sayısal analiz çalışmaları sonucunda, elektronik kontrol ünitesindeki en sıcak aktif devre elemanın LED olduğu görülmüştür. Elektronik kontrol ünitesindeki bakır katman sayısının artmasıyla birlikte devre eleman sıcaklıklarında düşüş gözlemlenmiştir. Elektronik kontrol ünitesindeki bakır katman sayısı 1'den 9'a çıkarıldığında, LED 2 devre elemanında 51,354 ℃ sıcaklık düşüşü yaşanmaktadır.
AlN 2 bakır katmanlı elektronik kontrol ünitesi sayısal yöntemler ile incelenmiştir. Elektronik kontrol ünitesindeki en sıcak aktif devre elemanının LED olduğu görülmüştür. Elektronik kontrol ünitesindeki bakır katman sayısı 1'den 9'a çıkarıldığında, LED 2 devre elemanında 7,253 ℃ sıcaklık düşüşü yaşanmaktadır.
Elektronik kontrol ünitesindeki bakır katman sayısının artışı ve yüksek ısı iletim katsayısına sahip alt tabaka malzeme kullanımının, elektronik kontrol ünitesindeki termal direnç değerinde lineer bir azalma ve toplam ısı geçiş katsayında lineer bir artışa neden olduğu görülmüştür. Bu değişimler ihmal edilebilir bir seviyededir.
Elektronik kontrol ünitesinin bulunduğu ortamdaki ısı taşınım katsayısının artışı, elektronik kontrol ünitelerinin termal direnç ve toplam ısı geçiş katsayı değerini doğrudan etkilemektedir. 5 W/m2K ısı taşınım katsayısına sahip ortamda 1 bakır katmanlı FR4 alt tabaka malzemeli elektronik kontrol ünitesinin termal direnç değeri 27,527 K/W ve toplam ısı geçiş katsayısının 4,873 W/m2K olduğu görülmektedir. 10 W/m2K ısı taşınım katsayısına sahip ortamda 1 bakır katmanlı FR4 alt tabaka malzemeli elektronik kontrol ünitesinin ise termal direnç değeri 14,114 K/W ve toplam ısı geçiş katsayısının 9,504 W/m2K olduğu görülmüştür.
Elektronik kontrol ünitesinin bakır katman sayısı ve alt tabaka malzeme özelliklerinin ısıl yönetime doğrudan etkili olduğu görülmüştür. Bakır katman sayısı ve yüksek ısı iletim katsayı değerine sahip alt tabaka malzeme kullanımının, elektronik kontrol ünitesinin ısı dağılımında iyileşmelere neden olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Electronic control units, despite their dimensional reduction with the advancement of technology, have experienced an increase in the number of circuit components used. Due to the developments in this direction, an increase in heat flux production has been observed in electronic control units. As a result of the increased heat flux, a decrease in the performance and service life of electronic control units is experienced. To prevent this, many studies are being conducted on thermal management in electronic control units.
Experimental and numerical methods were employed to investigate the impact of the number of copper layers and changes in the substrate material on thermal management in electronic control units. In the experimental studies, thermocouples were used to examine the heat distribution of the electronic board under operating conditions. For the numerical simulations, the FloEFD program was utilized to analyze the thermal behavior of the electronic control unit.
As part of the thesis, the electronic control unit with an FR4 substrate and 2 copper layers was investigated using numerical and experimental methods. Based on the numerical analysis studies, it was observed that the LED's are the hottest active circuit elements in the electronic control unit. The increase in the number of copper layers in the electronic control unit has been observed to result in a decrease in active circuit element temperatures. When the number of copper layers in the electronic control unit is increased from 1 to 9, a temperature decrease of 51,354 ℃ is observed in the LED 2 circuit element.
The AlN 2 copper-layered electronic control unit has been examined using numerical methods. It has been observed that the hottest active circuit element in the electronic control unit are the LED's. When the number of copper layers in the electronic control unit is increased from 1 to 9, a temperature decrease of 7,253 ℃ is observed in the LED 2 circuit element.
The increase in the number of copper layers in the electronic control unit and the use of a substrate material with a high thermal conductivity have been observed to cause a linear decrease in the thermal resistance value and a linear increase in the total heat transfer coefficient in the electronic control unit. These changes are negligible at a significant level.
The increase in the heat transfer coefficient directly affects the thermal resistance and total heat transfer coefficient values of electronic control units. In an environment with a heat transfer coefficient of 5 W/m2K, it is observed that the thermal resistance value of a 1-layer copper FR4 substrate electronic control unit is 27.527 K/W, total heat transfer coefficient of 4.873 W/m2K. In an environment with a heat transfer coefficient of 10 W/m2K, it is observed that the thermal resistance value of a 1-layer copper FR4 substrate electronic control unit is 14.114 K/W, total heat transfer coefficient of 9.504 W/m2K.
The number of copper layers in the electronic control unit and the thermal properties of the substrate material have been observed to directly affect thermal management. It has been observed that an increase in the number of copper layers and the use of substrate materials with a high thermal conductivity coefficient lead to improvements in the heat distribution of the electronic control unit.