Mécanisme de dissipation de la chaleur

Une des fonctions importantes des boîtiers est de dissiper la chaleur générée par les dispositifs à semi-conducteurs qu’ils abritent.

La génération de chaleur affecte la sécurité, la fiabilité et les performances.

La chaleur est générée lorsqu’un courant traverse une résistance dans un circuit électrique.

Un dispositif à semi-conducteurs peut être considéré comme un type de résistance qui génère de la chaleur proportionnellement à la résistance ON (résistance interne lorsqu’un courant circule dans le dispositif) lorsque le courant circule.

La chaleur peut affecter négativement le dispositif à semi-conducteurs lui-même ainsi que le système électronique qui utilise ce dispositif. En particulier, elle peut nuire gravement à la sécurité, aux performances et à la fiabilité.

Une chaleur excessive causée par une mauvaise conception de la dissipation thermique peut entraîner l’émission de fumée ou la prise de feu, ainsi que la dégradation des performances du dispositif, comme le ralentissement de sa vitesse de fonctionnement, et dans le pire des cas, endommager le dispositif ou le rendre inopérant. Même si le pire cas peut être évité, la fiabilité est affectée négativement par des dysfonctionnements du dispositif et une durée de vie plus courte du système.

Pour éviter ces effets négatifs, la conception thermique est essentielle pour les boîtiers de semi-conducteurs.

La chaleur est libérée de trois façons : conduction, convection et rayonnement.

La chaleur est transférée de trois façons : conduction, convection et rayonnement. l’image ci-dessous montre comment la chaleur circule de la source (c’est-à-dire la puce) à la destination finale, l’atmosphère, dans le contexte d’un environnement de fonctionnement réel qui comprend une carte de câblage imprimé (PWB) et une atmosphère.

Figure 1 Chemins de dissipation de la chaleur et causes de la résistance thermique

La dissipation de la chaleur se fait principalement par la PWB.

Puisque le rayonnement thermique n’est efficace que lorsque la surface du boîtier est suffisamment grande, les trois chemins suivants, montrés dans le diagramme ci-dessous, contribuent principalement à la dissipation de la chaleur.

• Convection de la surface supérieure du boîtier dans l’atmosphère
• Conduction des broches/boules externes vers le PWB, puis convection dans l’atmosphère
• Convection des côtés du boîtier dans l’atmosphère

Figure 2 Chemins de flux de chaleur

De ces trois chemins, le chemin de dissipation de la chaleur par le est le plus efficace et selon certains calculs, il représente 80% de la dissipation totale de la chaleur. Les analyses réelles de la dissipation de chaleur indiquent que 90 % de la chaleur est libérée par le lorsqu’un PBGA à 352 broches est monté sur un 4-couches, et que seulement 10 % de la chaleur est dissipée par la surface du boîtier.

Définitions des résistances thermiques et des paramètres de caractéristiques thermiques pour les CI

Les méthodes de mesure et les définitions des résistances thermiques sont présentées ci-dessous sur la base des spécifications du JEDEC.

Figure 3 Définitions des résistances thermiques et des paramètres de caractéristiques thermiques

θja est une résistance thermique entre la température de jonction d’une puce et la température ambiante lorsqu’un boîtier est monté sur PWB. La convection naturelle ou la convection forcée s’appliqueront aux conditions de mesure. θja est utilisé pour comparer les performances thermiques entre divers boîtiers.

Ψjt est un paramètre de caractérisation thermique par rapport à la consommation d’énergie totale (P) d’un dispositif, indiquant une différence de température entre les jonctions d’une puce (Tj) et le centre de la surface supérieure d’un boîtier (Tt). Ψjb est un paramètre de caractérisation thermique par rapport à la consommation d’énergie totale (P) d’un dispositif, indiquant une différence de température entre les jonctions d’une puce (Tj) et le PWB proche du boîtier (Tb). Ψjt etΨjb sont utilisés pour estimer Tj à partir de P, Tt et Tb

θjc est la résistance thermique entre Tj et la température de surface du boîtier (Tc) lorsque la chaleur entière circule des jonctions vers la surface supérieure du boîtier. θjc est principalement utilisé dans le modèle à deux registres pour estimer Tj lorsque la plupart de la chaleur circule des jonctions vers la surface supérieure du boîtier. θjb est la résistance thermique entre Tj et Tb lorsque la totalité de la chaleur circule des jonctions vers la PWB. θjb est utilisé pour le modèle à deux registres.

Référence : JEDEC JESD51

Notes:

• Les résistances thermiques et les paramètres de caractérisation thermique dépendent significativement des conditions d’environnement.
• Pour cette raison, le JEDEC spécifie les conditions d’environnement désignées pour déterminer chaque résistance thermique.
• La conception thermique d’un système doit être faite en fonction des conditions d’utilisation.
• En particulier, θjc peut être excessivement estimé par rapport aux conditions d’utilisation telles que la capacité du dissipateur thermique.

Définitions des résistances thermiques pour les dispositifs discrets

Les résistances thermiques transitoires, en plus des résistances thermiques en régime permanent, sont cruciales pour les dispositifs discrets et de puissance en raison de leur émission de chaleur plus élevée.

Définition des paramètres thermiques pour les dispositifs discrets

.

	Symbole	Description
Puissance nominale	PT ou Pch	PT ou Pch est une limite supérieure de puissance applicable à un dispositif discret, qui est principalement déterminée par la capacité de dissipation de la chaleur.
	TC ou Tc	TC de Tc est une température au point central de la surface inférieure d’un boîtier ou à la racine du plomb pour Drain. * : C ou c : cas
	TA ou Ta	TA ou Ta est une température ambiante * : A ou a : ambiante
Température nominale	Tch(max)	Tch(max) est une température limite supérieure d’un canal (puce) de MOSFET. Normalement, elle est spécifiée comme étant
	Tstg	Tstg est une plage de température admissible dans le stockage des dispositifs MOSFET ou d’un module ou de dispositifs contenant des MOSFET.
Résistance thermique transitoire	rth(t)	rth(t) est un nombre réciproque de conductivité thermique de perte de puissance à l’alimentation à impulsion rectangulaire.
Résistance thermique en régime permanent	Rth(ch-C) ou θch-c	Rth(ch-C) ou θch-c est une résistance thermique entre les canaux et le boîtier.
	Rth(ch-A) ou θth	Rth(ch-A) ou θth est une résistance thermique entre les canaux et la température ambiante.
	Rth(ch-C) ou Rth(ch-A) peut être obtenue à partir de la cote absolument maximale, PT et Tch(max), selon la formule suivante. * : le symbole peut varier selon les produits.

Figure 4 Définition des paramètres thermiques pour les dispositifs discrets

.