Mechanismus odvádění tepla

Jednou z důležitých funkcí obalů je odvádět teplo generované polovodičovými součástkami, které jsou v nich umístěny.

Vytváření tepla ovlivňuje bezpečnost, spolehlivost a výkon.

Teplo vzniká, když v elektrickém obvodu protéká rezistorem proud.

Polovodičové zařízení lze považovat za typ rezistoru, který při průchodu proudu generuje teplo úměrně odporu ON (vnitřní odpor při průchodu proudu zařízením).

Teplo může nepříznivě ovlivnit samotné polovodičové zařízení i elektronický systém, který toto zařízení používá. Zejména může vážně narušit bezpečnost, výkon a spolehlivost.

Nadměrné teplo způsobené špatnou konstrukcí odvodu tepla může mít za následek vyzařování kouře nebo vzplanutí, stejně jako zhoršení výkonu zařízení, například zpomalení jeho provozní rychlosti, a v nejhorším případě poškození zařízení nebo jeho nefunkčnost. I když se lze nejhoršímu případu vyhnout, spolehlivost je nepříznivě ovlivněna poruchami zařízení a kratší životností systému.

Pro zamezení těchto nepříznivých účinků je u polovodičových obalů zásadní tepelný návrh.

Teplo se uvolňuje třemi způsoby: vedením, konvekcí a sáláním.

Teplo se přenáší třemi způsoby: vedením, konvekcí a sáláním. obrázek níže ukazuje, jak teplo proudí od zdroje (tj. čipu) ke konečnému cíli, atmosféře, v kontextu skutečného provozního prostředí, které zahrnuje desku s plošnými spoji (PWB) a atmosféru.

Obrázek 1 Cesty šíření tepla a příčiny tepelného odporu

Šíření tepla probíhá většinou prostřednictvím PWB.

Protože vyzařování tepla je účinné pouze tehdy, když je plocha obalu dostatečně velká, přispívají k odvodu tepla především následující tři cesty znázorněné na následujícím obrázku.

• Konvekce z horního povrchu pouzdra do atmosféry
• Kondukce z vnějších vývodů/koulí do PWB a poté konvekce do atmosféry
• Konvekce ze stran pouzdra do atmosféry

Obrázek 2 Cesty tepelného toku

Z těchto tří cest, je cesta odvodu tepla přes nejúčinnější a podle některých výpočtů představuje 80 % celkového odvodu tepla. Skutečné analýzy rozptylu tepla ukazují, že při osazení 352pinového PBGA na čtyřvrstvou desku se 90 % tepla uvolňuje přes a pouze 10 % tepla se odvádí z povrchu pouzdra.

Definice tepelných odporů a tepelných charakteristik pro IC

Měřící metody a definice tepelných odporů jsou uvedeny níže na základě specifikací JEDEC.

Obrázek 3 Definice tepelných odporů a tepelných charakteristických parametrů

θja je tepelný odpor mezi teplotou spoje čipu a teplotou okolí, když je pouzdro namontováno na PWB. Pro podmínky měření se použije přirozená konvekce nebo nucená konvekce. θja se používá k porovnání tepelného výkonu mezi různými obaly.

Ψjt je tepelný charakterizační parametr s ohledem na celkový příkon (P) zařízení, který udává rozdíl teplot mezi spoji čipu (Tj) a středem horního povrchu obalu (Tt). Ψjb je tepelný charakterizační parametr vzhledem k celkové spotřebě energie (P) zařízení, který udává rozdíl teplot mezi spoji čipu (Tj) a PWB v blízkosti obalu (Tb). Ψjt aΨjb se používají k odhadu Tj z P, Tt a Tb

θjc je tepelný odpor mezi Tj a teplotou povrchu obalu (Tc), kdy celé teplo proudí z přechodů na horní povrch obalu. θjc se používá hlavně v dvourezistorovém modelu k odhadu Tj, když většina tepla proudí z přechodů na horní povrch pouzdra. θjb je tepelný odpor mezi Tj a Tb, když celé teplo proudí z přechodů na PWB. θjb se používá pro dvourezistorový model.

Reference: JEDEC JESD51

Poznámky:

• Tepelné odpory a parametry tepelné charakterizace výrazně závisí na podmínkách prostředí.
• Z tohoto důvodu JEDEC specifikuje určené podmínky prostředí pro určení každého tepelného odporu.
• Tepelný návrh systému musí být proveden na základě podmínek použití.
• Zejména θjc může být nadměrně odhadnuta s ohledem na podmínky použití, jako je schopnost chladiče.

Definice tepelných odporů pro diskrétní zařízení

Přechodové tepelné odpory, kromě tepelných odporů v ustáleném stavu, jsou pro diskrétní a výkonová zařízení zásadní kvůli jejich vyššímu vyzařování tepla.

Definice tepelných parametrů pro diskrétní zařízení

.

	Symbol	Popis
Normovaný výkon	PT nebo Pch	PT nebo Pch je horní hranice výkonu použitelná pro diskrétní zařízení, který je většinou určen schopností odvádět teplo.
	TC nebo Tc	TC z Tc je teplota ve středním bodě spodního povrchu pouzdra nebo u kořene vývodu pro Drain. *: C nebo c: case
	TA nebo Ta	TA nebo Ta je teplota okolí *: A nebo a: teplota okolí
Jmenovitá teplota	Tch(max)	Tch(max) je horní mezní teplota kanálu (čipu) MOSFETu. Obvykle se udává
	Tstg	Tstg je přípustný rozsah teplot při ukládání zařízení MOSFET nebo modulu či zařízení obsahujících MOSFET.
Přechodový tepelný odpor	rth(t)	rth(t) je reciproké číslo tepelné vodivosti ztráty výkonu při napájení obdélníkovým impulsem.
Tepelný odpor v ustáleném stavu	Rth(ch-C) nebo θch-c	Rth(ch-C) nebo θch-c je tepelný odpor mezi kanály a pouzdrem.
	Rth(ch-A) nebo θth	Rth(ch-A) nebo θth je tepelný odpor mezi kanály a okolní teplotou.
	Rth(ch-C) nebo Rth(ch-A) lze získat z absolutně maximální jmenovité hodnoty, PT a Tch(max), podle následujícího vzorce. *: symbol se může lišit v závislosti na výrobku.

Obr. 4 Definice tepelných parametrů pro diskrétní zařízení

.