Mecanismo de dissipação de calor

Uma das funções importantes das embalagens é dissipar o calor gerado pelos dispositivos semicondutores que elas abrigam.

Geração de calor afeta a segurança, confiabilidade e desempenho.

Calor é gerado quando uma corrente flui através de um resistor em um circuito elétrico.

Um dispositivo semicondutor pode ser considerado como um tipo de resistência que gera calor em proporção à resistência ON (resistência interna quando uma corrente flui através do dispositivo) à medida que a corrente flui.

O calor pode afectar negativamente o próprio dispositivo semicondutor, bem como o sistema electrónico que utiliza esse dispositivo. Em particular, pode prejudicar seriamente a segurança, o desempenho e a confiabilidade.

Calor excessivo causado por um projeto de má dissipação de calor pode resultar na emissão de fumaça ou pegar fogo, bem como degradar o desempenho do dispositivo, como diminuir sua velocidade de operação e, no pior caso, danificar o dispositivo ou torná-lo inoperante. Mesmo que o pior caso possa ser evitado, a confiabilidade é afetada adversamente através de mau funcionamento do dispositivo e uma vida mais curta do sistema.

Para evitar estes efeitos adversos, o projeto térmico é essencial para pacotes semicondutores.

O calor é liberado de três maneiras: condução, convecção e radiação.

O calor é transferido de três maneiras: condução, convecção e radiação. a imagem abaixo mostra como o calor flui da fonte (ou seja, do chip) para o destino final, a atmosfera, no contexto de um ambiente operacional real que inclui placa de circuito impresso (PWB) e uma atmosfera.

Figure 1 Heat Dissipation Paths and Causes of Thermal Resistance

Heat dissipation is done mostly through PWB.

Desde que a radiação térmica só é eficaz quando a superfície da embalagem é suficientemente grande, os três caminhos seguintes mostrados no diagrama abaixo são a principal contribuição para a dissipação de calor.

• Convecção da superfície superior da embalagem para a atmosfera
• Condução dos pinos/bolas externos para PWB e depois convecção para a atmosfera
• Convecção dos lados da embalagem para a atmosfera

Figure 2 Heat Flow Paths

Destes três caminhos, o caminho de dissipação de calor através do é o mais eficaz e, de acordo com alguns cálculos, é responsável por 80% da dissipação total de calor. As análises reais da dissipação de calor indicam que 90% do calor é liberado através do quando um PBGA de 352 pinos é montado em 4 camadas, e apenas 10% do calor é dissipado da superfície da embalagem.

Definições de resistências térmicas e parâmetros de características térmicas para IC

Métodos de medição e as definições de resistências térmicas são mostradas abaixo com base nas especificações JEDEC.

Figure 3 Definitions of Thermal Resistances and Thermal Characteristic Parameters

θja é uma resistência térmica entre a temperatura de junção de um chip e a temperatura ambiente quando uma embalagem é montada em PWB. A convecção natural ou convecção forçada será aplicada às condições de medição. θja é utilizado para comparar o desempenho térmico entre várias embalagens.

Ψjt é um parâmetro de caracterização térmica em relação ao consumo total de energia (P) de um dispositivo, indicando uma diferença de temperatura entre as junções de um chip (Tj) e o centro da superfície superior de uma embalagem (Tt). Ψjb é um parâmetro de caracterização térmica com respeito ao consumo total de energia (P) de um dispositivo, indicando uma diferença de temperatura entre as junções de um chip (Tj) e o PWB próximo à embalagem (Tb). Ψjt andΨjb são usados para estimar Tj de P, Tt e Tb

θjc é a resistência térmica entre Tj e a temperatura da superfície da embalagem (Tc) quando todo o calor flui das junções para a superfície da embalagem superior. θjc é usado principalmente no modelo de dois reservatórios para estimar Tj quando a maioria do calor flui das junções para a superfície superior do pacote. θjb é a resistência térmica entre Tj e Tb quando todo o calor flui das junções para PWB. θjb é usado no modelo de dois reservatórios.

Referência: JEDEC JESD51

Notas:

• Resistências térmicas e parâmetros de caracterização térmica dependem significativamente das condições ambientais.
• Por esse motivo, JEDEC especifica as condições ambientais designadas para determinar cada resistência térmica.
• O desenho térmico de um sistema deve ser feito com base nas condições de uso.
• Especialmente, θjc pode ser excessivamente estimado com respeito às condições de uso, tais como capacidade de dissipação de calor.

Definições de resistências térmicas para dispositivos discretos

Resistências térmicas transitórias, além das resistências térmicas de estado estável, são cruciais para dispositivos discretos e de potência devido à sua maior emissão de calor.

Definição de parâmetros térmicos para dispositivos discretos

	Símbolo	Descrição
Potência nominal	PT ou Pch	PT ou Pch é um limite superior de potência aplicável a um dispositivo discreto, que é principalmente determinada pela capacidade de dissipação de calor.
	TC ou Tc	TC de Tc é uma temperatura no ponto central da superfície inferior de uma embalagem ou na raiz do chumbo para Drenagem. *: C ou c: case
	TA ou Ta	TA ou Ta é uma temperatura ambiente *: A ou a: ambiente
Temperatura nominal	Tch(max)	Tch(max) é uma temperatura limite superior de um canal (chip) de MOSFET. Normalmente é especificado para ser
	Tstg	Tstg é uma faixa de temperatura permitida no armazenamento de dispositivos MOSFET ou um módulo ou dispositivos contendo MOSFET.
Resistência térmica transitória	rth(t)	rth(t) é um número recíproco de condutividade térmica de perda de potência para alimentação de impulso rectangular.
Resistência térmica de estado estável	Rth(ch-C) ou θch-c	Rth(ch-C) ou θch-c é uma resistência térmica entre canais e caixa.
	Rth(ch-A) ou θth	Rth(ch-A) ou θth é uma resistência térmica entre canais e temperatura ambiente.
	Rth(ch-C) ou Rth(ch-A) pode ser obtida a partir da classificação absolutamente máxima, PT e Tch(max), de acordo com a seguinte fórmula *: o símbolo pode variar dependendo dos produtos.

Figure 4 Definition of Thermal Parameters for Discrete Devices