Meccanismo di dissipazione del calore

Una delle importanti funzioni dei pacchetti è quella di dissipare il calore generato dai dispositivi a semiconduttore che ospitano.

La generazione di calore influenza la sicurezza, l’affidabilità e le prestazioni.

Il calore viene generato quando una corrente scorre attraverso una resistenza in un circuito elettrico.

Un dispositivo a semiconduttore può essere considerato come un tipo di resistenza che genera calore in proporzione alla resistenza ON (resistenza interna quando una corrente attraversa il dispositivo) quando la corrente scorre attraverso.

Il calore può influenzare negativamente il dispositivo a semiconduttore stesso così come il sistema elettronico che usa quel dispositivo. In particolare, può compromettere seriamente la sicurezza, le prestazioni e l’affidabilità.

Il calore eccessivo causato da una cattiva progettazione della dissipazione del calore può provocare l’emissione di fumo o prendere fuoco, oltre a degradare le prestazioni del dispositivo come il rallentamento della sua velocità operativa, e nel peggiore dei casi, danneggiando il dispositivo o rendendolo inutilizzabile. Anche se il caso peggiore può essere evitato, l’affidabilità è influenzata negativamente da malfunzionamenti del dispositivo e da una vita più breve del sistema.

Per evitare questi effetti negativi, la progettazione termica è essenziale per i pacchetti di semiconduttori.

Il calore viene rilasciato in tre modi: conduzione, convezione e radiazione.

Il calore viene trasferito in tre modi: conduzione, convezione e radiazione. l’immagine qui sotto mostra come il calore scorre dalla fonte (cioè il chip) alla destinazione finale, l’atmosfera, nel contesto di un ambiente operativo reale che include la scheda di cablaggio stampato (PWB) e un’atmosfera.

Figura 1 Percorsi di dissipazione del calore e cause di resistenza termica

La dissipazione del calore avviene principalmente attraverso il PWB.

Siccome la radiazione di calore è efficace solo quando la superficie del pacchetto è abbastanza grande, i seguenti tre percorsi mostrati nel diagramma sottostante sono il principale contributo alla dissipazione del calore.

• Convezione dalla superficie superiore del pacchetto nell’atmosfera
• Conduzione dai pin/balloni esterni al PWB e poi convezione nell’atmosfera
• Convezione dai lati del pacchetto nell’atmosfera

Figura 2 Percorsi di flusso di calore

Di questi tre percorsi, il percorso di dissipazione del calore attraverso l’aria è il più efficace e secondo alcuni calcoli rappresenta l’80% della dissipazione totale del calore. Le analisi effettive della dissipazione del calore indicano che il 90% del calore viene rilasciato attraverso il quando un PBGA a 352 pin è montato su un 4 strati, e solo il 10% del calore viene dissipato dalla superficie del pacchetto.

Definizioni di resistenze termiche e parametri caratteristici termici per IC

I metodi di misurazione e le definizioni delle resistenze termiche sono mostrati di seguito sulla base delle specifiche JEDEC.

Figura 3 Definizioni delle resistenze termiche e dei parametri caratteristici termici

θja è una resistenza termica tra la temperatura di giunzione di un chip e la temperatura ambiente quando un pacchetto è montato su PWB. Convezione naturale o convezione forzata si applicano alle condizioni di misurazione. θja è usato per confrontare le prestazioni termiche tra vari pacchetti.

Ψjt è un parametro di caratterizzazione termica rispetto al consumo totale di energia (P) di un dispositivo, che indica una differenza di temperatura tra le giunzioni di un chip (Tj) e il centro della superficie superiore di un pacchetto (Tt). Ψjb è un parametro di caratterizzazione termica rispetto al consumo totale di energia (P) di un dispositivo, che indica una differenza di temperatura tra le giunzioni di un chip (Tj) e il PWB vicino al pacchetto (Tb). Ψjt eΨjb sono usati per stimare Tj da P, Tt e Tb

θjc è la resistenza termica tra Tj e la temperatura della superficie del package (Tc) quando tutto il calore scorre dalle giunzioni alla superficie superiore del package. θjc è usato principalmente nel modello a due resistenze per stimare Tj quando la maggior parte del calore scorre dalle giunzioni alla superficie superiore del pacchetto. θjb è la resistenza termica tra Tj e Tb quando tutto il calore scorre dalle giunzioni al PWB. θjb è usato per il modello a due resistenze.

Riferimento: JEDEC JESD51

Note:

• Le resistenze termiche e i parametri di caratterizzazione termica dipendono significativamente dalle condizioni ambientali.
• Per questo motivo, JEDEC specifica le condizioni ambientali designate per determinare ogni resistenza termica.
• La progettazione termica di un sistema deve essere fatta in base alle condizioni di utilizzo.
• In particolare, θjc può essere stimato eccessivamente rispetto alle condizioni d’uso come la capacità del dissipatore di calore.

Definizioni delle resistenze termiche per dispositivi discreti

Le resistenze termiche transitorie, oltre alle resistenze termiche allo stato stazionario, sono cruciali per i dispositivi discreti e di potenza a causa della loro maggiore emissione di calore.

Definizione dei parametri termici per dispositivi discreti

	Simbolo	Descrizione
Potenza nominale	PT o Pch	PT o Pch è un limite superiore di potenza applicabile a un dispositivo discreto, che è principalmente determinato dalla capacità di dissipazione del calore.
	TC o Tc	TC di Tc è una temperatura al punto centrale della superficie inferiore di un pacchetto o alla radice del cavo per Drain. *: C o c: case
	TA o Ta	TA o Ta è una temperatura ambiente *: A o a: ambiente
Temperatura nominale	Tch(max)	Tch(max) è una temperatura limite superiore di un canale (chip) del MOSFET. Normalmente è specificato essere
	Tstg	Tstg è un intervallo di temperatura ammissibile nella conservazione dei dispositivi MOSFET o di un modulo o dispositivi contenenti MOSFET.
Resistenza termica transitoria	rth(t)	rth(t) è un numero reciproco della conduttività termica della perdita di potenza all’alimentazione a impulsi rettangolari.
Resistenza termica allo stato stazionario	Rth(ch-C) o θch-c	Rth(ch-C) o θch-c è una resistenza termica tra i canali e la cassa.
	Rth(ch-A) o θth	Rth(ch-A) o θth è una resistenza termica tra i canali e la temperatura ambiente.
	Rth(ch-C) o Rth(ch-A) può essere ottenuto dal rating assolutamente massimo, PT e Tch(max), secondo la seguente formula. *: il simbolo può variare a seconda dei prodotti.

Figura 4 Definizione dei parametri termici per dispositivi discreti