Lämmönpoistomekanismi

Yksi koteloiden tärkeistä tehtävistä on haihduttaa niihin sijoitettujen puolijohdekomponenttien tuottama lämpö.

Lämmönmuodostus vaikuttaa turvallisuuteen, luotettavuuteen ja suorituskykyyn.

Lämpöä syntyy, kun virta kulkee vastuksen läpi sähköpiirissä.

Puolijohdekomponenttia voidaan pitää eräänlaisena vastuksena, joka tuottaa lämpöä suhteessa ON-vastukseen (sisäinen vastus, kun virta kulkee laitteen läpi) virran kulkiessa sen läpi.

Lämpö voi vaikuttaa haitallisesti itse puolijohdekomponenttiin sekä elektroniseen järjestelmään, joka käyttää kyseistä laitetta. Erityisesti se voi vakavasti heikentää turvallisuutta, suorituskykyä ja luotettavuutta.

Huonosta lämmöntorjuntasuunnittelusta johtuva liiallinen lämpö voi johtaa savunmuodostukseen tai syttymiseen tuleen sekä heikentää laitteen suorituskykyä, kuten hidastaa sen käyntinopeutta, ja pahimmassa tapauksessa vaurioittaa laitetta tai tehdä siitä käyttökelvottoman. Vaikka pahin tapaus voitaisiin välttää, luotettavuuteen vaikuttaa haitallisesti laitteen toimintahäiriöt ja järjestelmän lyhyempi käyttöikä.

Tällaisten haittavaikutusten välttämiseksi lämpösuunnittelu on olennaisen tärkeää puolijohdepaketeissa.

Lämpöä vapautuu kolmella tavalla: johtumalla, konvektiolla ja säteilyllä.

Lämpöä siirtyy kolmella tavalla: johtumalla, konvektiolla ja säteilyllä. alla olevassa kuvassa esitetään, miten lämpö kulkee lähteestä (eli sirusta) lopulliseen määränpäähän, ilmakehään, todellisessa käyttöympäristössä, johon kuuluu piirilevy (PWB) ja ilmakehä.

Kuva 1 Lämmönsiirtoreitit ja lämpöresistanssin syyt

Lämmönsiirto tapahtuu enimmäkseen piirilevyn kautta.

Koska lämpösäteily on tehokasta vain silloin, kun pakkauksen pinta-ala on riittävän suuri, seuraavat kolme alla olevassa kaaviossa esitettyä reittiä vaikuttavat eniten lämmön haihtumiseen.

• Konvektio pakkauksen yläpinnasta ilmakehään
• Johtuminen ulkoisista nastoista/palloista PWB:hen ja sitten konvektio ilmakehään
• Konvektio pakkauksen sivuilta ilmakehään

Kuvio 2 Lämmönvirtauksen kulkureitit

Näistä kolmesta reitistä, kautta kulkeva lämmöntuottoreitti on tehokkain, ja joidenkin laskelmien mukaan sen osuus on 80 % kokonaislämmönhaihdunnasta. Todelliset lämmönhukka-analyysit osoittavat, että 90 % lämmöstä vapautuu väylän kautta, kun 352-nastainen PBGA on asennettu 4-kerroksiseen pakkaukseen, ja vain 10 % lämmöstä haihtuu pakkauksen pinnalta.

Lämpöresistanssien ja IC:n lämpöominaisparametrien määrittelyt

Mittausmenetelmät ja termisten resistanssien määrittelyt on esitetty seuraavassa, ja ne pohjautuvat JEDEC:n eritelmiin.

Kuva 3 Lämpöresistanssien ja termisten ominaisparametrien määritelmät

θja on lämpöresistanssi sirun liitoslämpötilan ja ympäristön lämpötilan välillä, kun paketti on asennettu PWB:hen. Mittausolosuhteisiin sovelletaan luonnollista konvektiota tai pakotettua konvektiota. θja:ta käytetään eri pakettien lämpötehokkuuden vertailuun.

Ψjt on laitteen kokonaistehonkulutukseen (P) liittyvä lämpökarakterisointiparametri, joka ilmaisee sirun liitoskohtien (Tj) ja paketin yläpinnan keskikohdan (Tt) välisen lämpötilaeron. Ψjb on laitteen kokonaistehonkulutukseen (P) liittyvä lämpökuvausparametri, joka osoittaa sirun (Tj) ja pakkauksen lähellä olevan PWB:n (Tb) liitosten välisen lämpötilaeron. Ψjt jaΨjb käytetään Tj:n arvioimiseen P:stä, Tt:stä ja Tb:stä

θjc on lämpöresistanssi Tj:n ja paketin pintalämpötilan (Tc) välillä, kun koko lämpö virtaa liitoskohdista paketin yläpintaan. θjc:tä käytetään pääasiassa kahden vastuksen mallissa Tj:n arvioimiseksi, kun suurin osa lämmöstä virtaa liitoskohdista paketin yläpinnalle. θjb on Tj:n ja Tb:n välinen lämpöresistanssi, kun koko lämpö virtaa liitoskohdista PWB:hen. θjb:tä käytetään kahden vastuksen mallissa.

viite: JEDEC JESD51

Huomautuksia:

• Lämpöresistanssit ja lämpökarakterisointiparametrit riippuvat merkittävästi ympäristöolosuhteista.
• Sentähden JEDEC määrittelee nimetyt ympäristöolosuhteet kunkin lämpöresistanssin määrittämiseksi.
• Järjestelmän lämpösuunnittelu on tehtävä käyttöolosuhteiden perusteella.
• Erityisesti θjc voidaan arvioida liikaa suhteessa käyttöolosuhteisiin, kuten jäähdytyselementin kyvykkyyteen.

Diskreettisten laitteiden lämpöresistanssien määrittelyt

Transienttiset lämpöresistanssit ovat vakaan tilan lämpöresistanssien lisäksi ratkaisevan tärkeitä diskreeteille ja teholaitteille niiden suuremman lämpöpäästön vuoksi.

Diskreettisten laitteiden lämpöparametrien määrittely

	Symboli	Kuvaus
Nimellisteho	PT tai Pch	PT tai Pch on erilliseen laitteeseen sovellettavan tehon yläraja, joka määräytyy enimmäkseen lämmöntuottokyvyn mukaan.
	TC tai Tc	TC tai Tc on lämpötila pakkauksen pohjapinnan keskipisteessä tai Drainin osalta johdon juuressa. *: C tai c: case
	TA tai Ta	TA tai Ta on ympäristön lämpötila *: A tai a: ympäristölämpötila
Nimellislämpötila	Tch(max)	Tch(max) on MOSFET:n kanavan (sirun) ylärajalämpötila. Tavallisesti se määritetään
	Tstg	Tstg on sallittu lämpötila-alue MOSFET-laitteiden tai MOSFET:iä sisältävän moduulin tai laitteiden varastoinnissa.
Transienttinen lämpöresistanssi	rth(t)	rth(t) on suorakulmapulssisen virtalähteen tehohäviön lämmönjohtavuuden käänteisluku.
Vakiotilan lämpöresistanssi	Rth(ch-C) tai θch-c	Rth(ch-C) tai θch-c on kanavien ja kotelon välinen lämpövastus.
	Rth(ch-A) tai θth	Rth(ch-A) tai θth on kanavien ja ympäristön lämpötilan välinen lämpöresistanssi.
	Rth(ch-C) tai Rth(ch-A) saadaan absoluuttisesta maksimiluokituksesta PT ja Tch(max) seuraavan kaavan mukaisesti. *: symboli voi vaihdella tuotteista riippuen.

Kuva 4 Lämpötilaparametrien määrittely erillisille laitteille

.