Varmeafledningsmekanisme

En af de vigtige funktioner for pakninger er at aflede den varme, der genereres af de halvlederkomponenter, de indeholder.

Varmegenerering påvirker sikkerhed, pålidelighed og ydeevne.

Varme genereres, når en strøm løber gennem en modstand i et elektrisk kredsløb.

En halvlederanordning kan betragtes som en type modstand, der genererer varme i forhold til ON-modstanden (intern modstand, når en strøm løber gennem anordningen), når strømmen løber igennem.

Varme kan påvirke selve halvlederanordningen og det elektroniske system, der bruger den pågældende anordning, negativt. Især kan det alvorligt forringe sikkerheden, ydeevnen og pålideligheden.

Udreven varme forårsaget af en dårlig varmeafledningskonstruktion kan resultere i røgudvikling eller brand, samt forringe enhedens ydeevne, f.eks. ved at sænke dens driftshastighed, og i værste fald beskadige enheden eller gøre den uanvendelig. Selv hvis det værste tilfælde kan undgås, påvirkes pålideligheden negativt gennem funktionsfejl i enheden og en kortere systemlevetid.

For at undgå disse negative virkninger er termisk design afgørende for halvlederpakker.

Varme frigives på tre måder: konduktion, konvektion og stråling.

Varme overføres på tre måder: konduktion, konvektion og stråling. nedenstående billede viser, hvordan varmen strømmer fra kilden (dvs. chippen) til det endelige bestemmelsessted, atmosfæren, i forbindelse med et reelt driftsmiljø, der omfatter printkort (PWB) og en atmosfære.

Figur 1 Varmeafgivelsesveje og årsager til termisk modstand

Varmeafgivelsen sker for det meste gennem PWB.

Da varmestråling kun er effektiv, når pakkeoverfladen er stor nok, er følgende tre veje, der er vist i nedenstående diagram, hovedbidrag til varmeafledning.

• Konvektion fra pakkens øverste overflade til atmosfæren
• Konduktion fra de eksterne pins/kugler til PWB og derefter konvektion til atmosfæren
• Konvektion fra pakkens sider til atmosfæren

Figur 2 Varmestrømningsveje

Af disse tre veje, er varmeafledningsvejen via den er den mest effektive og tegner sig ifølge nogle beregninger for 80 % af den samlede varmeafledning. Faktiske analyser af varmeafgivelse viser, at 90 % af varmen afgives via den, når en 352-pin PBGA er monteret på et 4-lag, og kun 10 % af varmen afgives fra pakkeoverfladen.

Definitioner af termiske modstande og termiske karakteristiske parametre for IC

Målemetoder og definitionerne af termiske modstande er vist nedenfor baseret på JEDEC-specifikationer.

Figur 3 Definitioner af termiske modstande og termiske karakteristiske parametre

θja er en termisk modstand mellem en chips junction-temperatur og den omgivende temperatur, når en pakke er monteret på PWB. Naturlig konvektion eller tvungen konvektion gælder for målebetingelserne. θja bruges til at sammenligne den termiske ydeevne blandt forskellige pakker.

Ψjt er en termisk karakteriseringsparameter med hensyn til det samlede strømforbrug (P) for en enhed, der angiver en temperaturforskel mellem junctions af en chip (Tj) og midten af en pakkes øverste overflade (Tt). Ψjb er en termisk karakteriseringsparameter med hensyn til enhedens samlede effektforbrug (P), der angiver en temperaturforskel mellem krydsninger af en chip (Tj) og PWB’en tæt på pakken (Tb). Ψjt ogΨjb bruges til at estimere Tj ud fra P, Tt og Tb

θjc er den termiske modstand mellem Tj og pakkeoverfladetemperaturen (Tc), når hele varmen strømmer fra samlingspunkterne til den øverste pakkeoverflade. θjc bruges hovedsagelig i to-resister-modellen til at estimere Tj, når det meste af varmen strømmer fra samlingspunkterne til den øverste pakkeoverflade. θjb er den termiske modstand mellem Tj og Tb, når hele varmen strømmer fra samlingspunkterne til PWB. θjb bruges til to-resister-modellen.

Reference: JEDEC JESD51

Notes:

• Termiske modstande og termiske karakteriseringsparametre afhænger i høj grad af miljøforholdene.
• Derfor angiver JEDEC de udpegede miljøforhold til bestemmelse af hver enkelt termisk modstand.
• Det termiske design af et system skal ske på grundlag af anvendelsesforholdene.
• Særligt kan θjc blive overvurderet med hensyn til anvendelsesbetingelserne, f.eks. kølepladekapacitet.

Definitioner af termiske modstande for diskrete enheder

Transiente termiske modstande, ud over termiske modstande i stationær tilstand, er afgørende for diskrete og kraftenheder på grund af deres større varmeafgivelse.

Definition af termiske parametre for diskrete enheder

	Symbol	Beskrivelse
Rated power	PT eller Pch	PT eller Pch er en øvre grænse for den effekt, der gælder for en diskret enhed, som hovedsagelig bestemmes af varmeafledningskapaciteten.
	TC eller Tc	TC eller Tc er en temperatur ved midtpunktet af bundfladen på en paknings bundflade eller ved roden af ledningen for Drain. *: C eller c: case
	TA eller Ta	TA eller Ta er en omgivelsestemperatur *: A eller a: omgivende
Rated temperature	Tch(max)	Tch(max) er en øvre grænsetemperatur for en kanal (chip) i en MOSFET. Normalt er den specificeret til at være
	Tstg	Tstg er et tilladt temperaturområde ved opbevaring af MOSFET-enheder eller et modul eller enheder, der indeholder MOSFET.
Transient termisk modstand	rth(t)	rth(t) er et reciprok tal for den termiske ledningsevne af effekttab til rektangulær-pulsstrømforsyning.
Temperaturmodstand i stationær tilstand	Rth(ch-C) eller θch-c	Rth(ch-C) eller θch-c er en termisk modstand mellem kanaler og kabinet.
	Rth(ch-A) eller θth	Rth(ch-A) eller θth er en termisk modstand mellem kanalerne og den omgivende temperatur.
	Rth(ch-C) eller Rth(ch-A) kan fås ud fra den absolut maksimale nominelle værdi, PT og Tch(max), efter følgende formel. *: symbolet kan variere afhængigt af produkterne.

Figur 4 Definition af termiske parametre for diskrete enheder