Обговорення понять розсіювання тепла мікросхеми та утворення тепла
У цій статті в основному обговорюються концепції розсіювання/нагріву мікросхеми, термічного опору, підвищення температури та теплового дизайну.
Нагрівання та втрати стружки
Втрата потужності мікросхеми, з одного боку, стосується різниці між ефективною вхідною та вихідною потужністю, яка називається розсіюваною потужністю. Ця частина втрат буде перетворена в тепловиділення. Вироблення тепла – це погано, і це знизить надійність компонентів і обладнання. Це серйозно пошкодить чіп.
Потужність розсіювання, цей параметр буде в SPEC деяких чіпів, який відноситься до максимально допустимої потужності розсіювання, розсіювання потужності та тепла відповідають, чим більше допустиме розсіювання потужності, відповідна температура переходу також буде більшою.
З іншого боку, енергоспоживання мікросхеми означає кількість енергії, споживаної електричним обладнанням за одиницю часу, а одиницею є Вт, наприклад, кондиціонер повітря потужністю 2000 Вт тощо.
Термічний опір і підвищення температури
Всі ми знаємо приказку: сніг не холодить, а сніг холодить. Це фізичний процес. Снігопад - це процес десублімації та екзотермії, а танення снігу - це процес танення та поглинання тепла. Підвищення температури мікросхеми відбувається відносно температури навколишнього середовища (25 градусів), тому необхідно згадати поняття теплового опору.
Тепловий опір означає співвідношення між різницею температур на обох кінцях об’єкта та потужністю джерела тепла, коли тепло передається об’єкту, а одиницею є градус /Вт або К/Вт. Як показано на малюнку нижче, коли мікросхему припаяно до друкованої плати, є три основні шляхи розсіювання тепла для мікросхеми, що відповідає трьом тепловим опорам.
1. Термічний опір внутрішньої сторони чіпа до оболонки та контактів - чіп фіксований і не може бути змінений.
2. Термічний опір від контактів мікросхеми до плати друкованої плати - визначається хорошим паянням і платою друкованої плати.
3. Термічний опір від корпусу чіпа до повітря - визначається радіатором і периферійним простором чіпа. Параметри теплового опору напівпровідникової мікросхеми
Ta — температура навколишнього середовища, Tc — температура поверхні корпусу, а Tj — температура переходу. Θja: Термічний опір між температурою переходу (Tj) і температурою навколишнього середовища (Ta). Θjc: Термічний опір між температурою переходу (Tj) і температурою поверхні корпусу (Tc). Θca: Термічний опір між температурою поверхні корпусу (Tc) і температурою навколишнього середовища (Ta).
Формула розрахунку термічного опору така: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta плюс Θja*Pd, де Θja*Pd — підвищення температури, яке також можна назвати теплотворною здатністю .
1. За умови постійного термічного опору, чим менше споживання електроенергії Pd, тим нижчою буде температура.
2. У разі певного споживання електроенергії, чим менший тепловий опір, тим краще, і чим менший термічний опір, тим краще розсіювання тепла.
Помилки розрахунку температури спаю
Багато людей використовують цю формулу для обчислення температури переходу: Tj=Ta плюс Θja*Pd, яка вказана в документації TI, але вона не є точною.
Загальне значення полягає в тому, що Θja є функцією багатьох змінних, яка не може відображати реальну ситуацію мікросхеми, припаяної до друкованої плати, і має сильну кореляцію з дизайном друкованої плати та розміром чіпа/підкладки. Оскільки ці фактори змінюються, значення Θja також буде змінюватися. Існує велика різниця між тестуванням Θja виробниками чіпів і нашим фактичним використанням, тому його використовують для розрахунку температури переходу, і похибка буде великою.
Термічний опір Θja має сильну кореляцію з цими параметрами
У той же час використання формули Tj=Tc плюс Θjc*Pd для вимірювання температури Tc оболонки мікросхеми за допомогою інфрачервоної камери, а потім обчислення Tj є не дуже точним. Значення Θja та Θjc, надані виробником, можуть бути більшими для нас, щоб оцінити теплові характеристики чіпа та порівняти його з іншими чіпами.
У параметрах деяких чіпів будуть ΨJT і ΨJB. Ці два параметри не є справжнім тепловим опором. Метод, який використовують виробники мікросхем для тестування ΨJT і ΨJB, дуже близький до середовища застосування фактичного пристрою, тому його можна використовувати для оцінки температури переходу. Він також прийнятий промисловістю, і можна побачити, що ці два параметри менші за Θja та Θjc, тому за однакового споживання електроенергії температура з’єднання, розрахована за допомогою Θja, вища за фактичну температуру.
ΨJT стосується з’єднання з верхньою частиною упаковки, параметр від з’єднання до оболонки упаковки, формула розрахунку: Tj=Tc плюс ΨJT*Pd, Tc – температура оболонки мікросхеми. ΨJB, стосується параметрів з’єднання з платою, з’єднання з платою друкованої плати, формула розрахунку: Tj=Tb плюс ΨJB*Pd, Tb – температура плати друкованої плати.
ΨJT і ΨJB можна використовувати для розрахунку температури переходу
Теплова конструкція
Тепловий дизайн такий самий, як і проблема ЕМС, найкраще вирішити її на ранній стадії, інакше подальше виправлення буде дуже складним. На ранній стадії проектування розглядаються структура, укладання друкованих плат, компонування, оздоблення тощо, а на пізнішому етапі розглядаються матеріали для розсіювання тепла.
