Mecanismo de disipación de calor

Una de las funciones importantes de los paquetes es disipar el calor generado por los dispositivos semiconductores que albergan.

La generación de calor afecta a la seguridad, la fiabilidad y el rendimiento.

El calor se genera cuando una corriente fluye a través de una resistencia en un circuito eléctrico.

Un dispositivo semiconductor puede considerarse como un tipo de resistencia que genera calor en proporción a la resistencia ON (resistencia interna cuando fluye una corriente a través del dispositivo) a medida que la corriente pasa por él.

El calor puede afectar negativamente al propio dispositivo semiconductor así como al sistema electrónico que utiliza dicho dispositivo. En particular, puede perjudicar gravemente la seguridad, el rendimiento y la fiabilidad.

El calor excesivo provocado por un diseño deficiente de la disipación del calor puede dar lugar a la emisión de humo o a un incendio, así como a la degradación del rendimiento del dispositivo, como la disminución de su velocidad de funcionamiento y, en el peor de los casos, el daño del dispositivo o su inutilización. Incluso si se puede evitar el peor de los casos, la fiabilidad se ve afectada negativamente debido al mal funcionamiento del dispositivo y a la reducción de la vida útil del sistema.

Para evitar estos efectos adversos, el diseño térmico es esencial para los paquetes de semiconductores.

El calor se libera de tres maneras: conducción, convección y radiación.

El calor se transfiere de tres maneras: conducción, convección y radiación. la imagen siguiente muestra cómo fluye el calor desde la fuente (es decir, el chip) hasta el destino final, la atmósfera, en el contexto de un entorno operativo real que incluye la placa de cableado impreso (PWB) y una atmósfera.

Figura 1 Vías de disipación del calor y causas de la resistencia térmica

La disipación del calor se realiza principalmente a través del PWB.

Dado que la radiación de calor es efectiva sólo cuando el área de la superficie del paquete es lo suficientemente grande, los siguientes tres caminos mostrados en el diagrama de abajo son la principal contribución a la disipación de calor.

• Convección desde la superficie superior del encapsulado hacia la atmósfera
• Conducción desde los pines/bolas externas hacia el PWB y luego convección hacia la atmósfera
• Convección desde los lados del encapsulado hacia la atmósfera

Figura 2 Vías de flujo de calor

De estas tres vías, la vía de disipación de calor a través de la es la más eficaz y, según algunos cálculos, representa el 80% de la disipación total de calor. Los análisis reales de la disipación de calor indican que el 90% del calor se libera a través de la cuando un PBGA de 352 pines está montado en un paquete de 4 capas, y sólo el 10% del calor se disipa desde la superficie del paquete.

Definiciones de las resistencias térmicas y parámetros característicos térmicos para IC

A continuación se muestran los métodos de medición y las definiciones de las resistencias térmicas basadas en las especificaciones del JEDEC.

Figura 3 Definiciones de resistencias térmicas y parámetros característicos térmicos

θja es una resistencia térmica entre la temperatura de unión de un chip y la temperatura ambiente cuando un paquete está montado en PWB. La convección natural o la convección forzada se aplicarán a las condiciones de medición. θja se utiliza para comparar el rendimiento térmico entre varios paquetes.

Ψjt es un parámetro de caracterización térmica con respecto al consumo total de energía (P) de un dispositivo, que indica una diferencia de temperatura entre las uniones de un chip (Tj) y el centro de la superficie superior de un paquete (Tt). Ψjb es un parámetro de caracterización térmica con respecto al consumo total de energía (P) de un dispositivo, que indica una diferencia de temperatura entre las uniones de un chip (Tj) y el PWB cerca del paquete (Tb). Ψjt yΨjb se utilizan para estimar Tj a partir de P, Tt y Tb

θjc es la resistencia térmica entre Tj y la temperatura de la superficie del encapsulado (Tc) cuando todo el calor fluye desde las uniones a la superficie superior del encapsulado. θjc se utiliza principalmente en el modelo de dos registros para estimar Tj cuando la mayor parte del calor fluye desde las uniones a la superficie superior del paquete. θjb es la resistencia térmica entre Tj y Tb cuando todo el calor fluye desde las uniones al PWB. θjb se utiliza para el modelo de dos registros.

Referencia: JEDEC JESD51

Notas:

• Las resistencias térmicas y los parámetros de caracterización térmica dependen significativamente de las condiciones del entorno.
• Por esa razón, JEDEC especifica las condiciones del entorno designadas para determinar cada resistencia térmica.
• El diseño térmico de un sistema debe realizarse en función de las condiciones de uso.
• Especialmente, θjc puede estimarse excesivamente con respecto a las condiciones de uso, como la capacidad del disipador de calor.

Definiciones de resistencias térmicas para dispositivos discretos

Las resistencias térmicas transitorias, además de las resistencias térmicas de estado estable, son cruciales para los dispositivos discretos y de potencia debido a su mayor emisión de calor.

Definición de parámetros térmicos para dispositivos discretos

	Símbolo	Descripción
Potencia nominal	PT o Pch	PT o Pch es un límite superior de potencia aplicable a un dispositivo discreto, que se determina principalmente por la capacidad de disipación de calor.
	TC o Tc	TC de Tc es una temperatura en el punto central de la superficie inferior de un paquete o en la raíz del plomo para Drain. *: C o c: case
	TA o Ta	TA o Ta es una temperatura ambiente *: A o a: ambiente
Temperatura nominal	Tch(max)	Tch(max) es una temperatura límite superior de un canal (chip) de MOSFET. Normalmente se especifica que es
	Tstg	Tstg es un rango de temperatura permisible en el almacenamiento de dispositivos MOSFET o un módulo o dispositivos que contienen MOSFET.
Resistencia térmica transitoria	rth(t)	rth(t) es un número recíproco de la conductividad térmica de la pérdida de potencia a la fuente de alimentación de pulso rectangular.
Resistencia térmica en estado estable	Rth(ch-C) o θch-c	Rth(ch-C) o θch-c es una resistencia térmica entre los canales y la caja.
	Rth(ch-A) o θth	Rth(ch-A) o θth es una resistencia térmica entre los canales y la temperatura ambiente.
	Rth(ch-C) o Rth(ch-A) se puede obtener a partir del valor nominal absolutamente máximo, PT y Tch(max), según la siguiente fórmula. *: el símbolo puede variar en función de los productos.

Figura 4 Definición de parámetros térmicos para dispositivos discretos