Hőelvezetési mechanizmus

A csomagok egyik fontos feladata a bennük elhelyezett félvezető eszközök által termelt hő elvezetése.

A hőtermelés hatással van a biztonságra, a megbízhatóságra és a teljesítményre.

Hő keletkezik, amikor egy ellenálláson keresztül áram folyik egy elektromos áramkörben.

A félvezető eszköz egyfajta ellenállásnak tekinthető, amely az ON-ellenállással (belső ellenállás, amikor az eszközön áram folyik át) arányosan hőt termel, ahogy az áram átfolyik rajta.

A hő hátrányosan befolyásolhatja magát a félvezető eszközt, valamint az eszközt használó elektronikus rendszert. Különösen a biztonságot, a teljesítményt és a megbízhatóságot ronthatja súlyosan.

A rossz hőelvezetési kialakítás okozta túlzott hő füst kibocsátását vagy tűz keletkezését eredményezheti, valamint ronthatja az eszköz teljesítményét, például lelassíthatja a működési sebességét, legrosszabb esetben pedig károsíthatja az eszközt vagy működésképtelenné teheti. Még ha a legrosszabb eset elkerülhető is, a megbízhatóságot hátrányosan befolyásolja az eszköz meghibásodása és a rendszer rövidebb élettartama.

Ezek a káros hatások elkerülése érdekében a félvezetőcsomagok hőtervezése alapvető fontosságú.

A hő háromféleképpen szabadul fel: vezetés, konvekció és sugárzás.

A hőátadás háromféleképpen történik: vezetés, konvekció és sugárzás. az alábbi kép azt mutatja, hogyan áramlik a hő a forrástól (azaz a chiptől) a végső rendeltetési helyig, a légkörig, egy tényleges működési környezetben, amely magában foglalja a nyomtatott huzalozási lapot (PWB) és a légkört.

1. ábra A hőleadás útjai és a hőellenállás okai

A hőleadás leginkább a PWB-n keresztül történik.

Mivel a hősugárzás csak akkor hatékony, ha a csomag felülete elég nagy, az alábbi ábrán látható három útvonal járul hozzá elsősorban a hőleadáshoz.

• Konvekció a csomag felső felületéről a légkörbe
• Konvekció a külső csapokról/gömbökről a PWB-re, majd konvekció a légkörbe
• Konvekció a csomag oldalairól a légkörbe

2. ábra Hőáramlási útvonalak

Ezek közül a három útvonalból, a hőelvezetési útvonal a leghatékonyabb, és egyes számítások szerint a teljes hőelvezetés 80%-át teszi ki. A hőleadás tényleges elemzései azt mutatják, hogy egy 352 tűs PBGA négyrétegűre szerelése esetén a hő 90%-a a hőn keresztül távozik, és a hőnek csak 10%-a távozik a csomag felületéről.

A hőellenállások és az IC-k hőjellemző paramétereinek meghatározása

A JEDEC specifikációkon alapuló mérési módszerek és a hőellenállások meghatározása az alábbiakban látható.

3. ábra A termikus ellenállások és termikus jellemző paraméterek definíciói

θja a chip csatlakozási hőmérséklete és a környezeti hőmérséklet közötti termikus ellenállás, amikor a csomagot PWB-re szerelik. A mérési körülményekre természetes konvekció vagy kényszerkonvekció vonatkozik. θja a különböző csomagok közötti termikus teljesítmény összehasonlítására szolgál.

Ψjt egy termikus jellemzési paraméter az eszköz teljes energiafogyasztása (P) tekintetében, amely a chip csomópontjai (Tj) és a csomag felső felületének közepe (Tt) közötti hőmérsékletkülönbséget jelzi. Ψjb az eszköz teljes teljesítményfelvételére (P) vonatkozó termikus jellemzési paraméter, amely a chip (Tj) és a csomaghoz közeli PWB (Tb) csomópontjai közötti hőmérsékletkülönbséget jelzi. Ψjt ésΨjb a Tj becslésére szolgál a P, Tt és Tb

θjc a Tj és a csomagfelület hőmérséklete (Tc) közötti hőellenállás, amikor a teljes hő a csomópontokból a csomag felső felületére áramlik. A θjc-t főként a kétrezisztoros modellben használják a Tj becslésére, amikor a hő nagy része a csomópontokból a csomag felső felületére áramlik. θjb a Tj és Tb közötti hőellenállás, amikor a teljes hő a csomópontokból a PWB felé áramlik. θjb-t a kétrezisztoros modellben használják.

Hivatkozás: JEDEC JESD51

Megjegyzések:

• A hőellenállások és a termikus jellemzési paraméterek jelentősen függnek a környezeti feltételektől.
• Ezért a JEDEC meghatározza a kijelölt környezeti feltételeket az egyes hőellenállások meghatározásához.
• A rendszer termikus tervezését a használati feltételek alapján kell elvégezni.
• Különösen a θjc-t a használati feltételek, például a hőelvezető képesség tekintetében túlzottan meg lehet becsülni.

A termikus ellenállások meghatározása diszkrét eszközökhöz

A diszkrét és tápegységek esetében a nagyobb hőkibocsátásuk miatt az állandósult termikus ellenállások mellett a tranziens termikus ellenállások is kulcsfontosságúak.

Diszkrét eszközök termikus paramétereinek meghatározása

	Szimbólum	Megnevezés	leírás
Minősített teljesítmény	PT vagy Pch	PT vagy Pch a diszkrét eszközre alkalmazható teljesítmény felső határa, amelyet leginkább a hőleadó képesség határoz meg.
	TC vagy Tc	TC a Tc a csomag alsó felületének középpontjában, vagy Drain esetén a vezeték gyökerénél mért hőmérséklet. *: C vagy c: case
	TA vagy Ta	TA vagy Ta egy környezeti hőmérséklet *: A vagy a: környezeti
Normált hőmérséklet	Tch(max)	Tch(max) a MOSFET egy csatornájának (chipjének) felső határhőmérséklete. Általában
	Tstg	Tstg a MOSFET-eszközök vagy egy MOSFET-et tartalmazó modul vagy eszközök tárolásában megengedett hőmérsékleti tartomány.
Tranziens hőellenállás	rth(t)	rth(t) a négyszögimpulzusú tápegységhez tartozó energiaveszteség hővezető képességének reciprok száma.
állandó hőellenállás	Rth(ch-C) vagy θch-c	Rth(ch-C) vagy θch-c a csatornák és a tok közötti hőellenállás.
	Rth(ch-A) vagy θth	Rth(ch-A) vagy θth a csatornák és a környezeti hőmérséklet közötti hőellenállás.
	Rth(ch-C) vagy Rth(ch-A) az abszolút maximális névleges értékből, PT és Tch(max) a következő képlet szerint kapható. *: a szimbólum a termékektől függően változhat.

4. ábra A diszkrét eszközök termikus paramétereinek meghatározása

.