Heat-dissipation Mechanism

Een van de belangrijke functies van pakketten is het afvoeren van de warmte die wordt opgewekt door de halfgeleiderelementen waarin ze zijn ondergebracht.

Heat generation affects safety, reliability, and performance.

Heat is generated when a current flows through a resistor in an electric circuit.

Een halfgeleiderapparaat kan worden beschouwd als een soort weerstand die warmte genereert in verhouding tot de ON-weerstand (interne weerstand wanneer er een stroom door het apparaat loopt) wanneer er stroom doorheen loopt.

Warmte kan een nadelige invloed hebben op het halfgeleiderapparaat zelf, evenals op het elektronische systeem dat dat apparaat gebruikt. In het bijzonder kan het de veiligheid, prestaties en betrouwbaarheid ernstig schaden.

Excessieve hitte veroorzaakt door een slecht ontwerp van warmteafvoer kan resulteren in het uitstoten van rook of vlam vatten, alsmede de prestaties van het apparaat verslechteren, zoals het vertragen van de werksnelheid, en in het ergste geval, het apparaat beschadigen of het onbruikbaar maken. Zelfs als het ergste geval kan worden vermeden, wordt de betrouwbaarheid nadelig beïnvloed door apparaatstoringen en een kortere levensduur van het systeem.

Om deze nadelige effecten te vermijden, is thermisch ontwerp essentieel voor halfgeleiderpakketten.

Warmte komt op drie manieren vrij: geleiding, convectie, en straling.

Warmte wordt op drie manieren overgedragen: geleiding, convectie, en straling. De onderstaande afbeelding laat zien hoe warmte van de bron (d.w.z. de chip) naar de eindbestemming, de atmosfeer, stroomt in de context van een werkelijke bedrijfsomgeving die printplaten (PWB) en een atmosfeer omvat.

Figuur 1 Warmteafvoerpaden en oorzaken van thermische weerstand

Warmteafvoer vindt hoofdzakelijk plaats via PWB.

Omdat warmtestraling alleen effectief is als het oppervlak van de verpakking groot genoeg is, leveren de volgende drie paden in het onderstaande diagram de belangrijkste bijdrage aan de warmteafvoer.

• Convectie vanaf het bovenoppervlak van de verpakking naar de omgeving
• Conductie vanaf de externe pennen/bollen naar PWB en dan convectie naar de omgeving
• Convectie vanaf de zijkanten van de verpakking naar de omgeving

Figuur 2 Warmtestroompaden

Van deze drie paden, is het warmtedissipatiepad via de meest effectieve en volgens sommige berekeningen goed voor 80% van de totale warmtedissipatie. Feitelijke analyses van de warmteafvoer geven aan dat 90% van de warmte wordt afgevoerd via de wanneer een 352-pins PBGA is gemonteerd op een 4-laags pakket, en slechts 10% van de warmte wordt afgevoerd via het oppervlak van het pakket.

Definities van thermische weerstanden en thermische karakteristieke parameters voor IC

Metingsmethoden en de definities van thermische weerstanden worden hieronder weergegeven op basis van JEDEC-specificaties.

Figuur 3 Definities van thermische weerstanden en thermische karakteristieke parameters

θja is een thermische weerstand tussen de junctietemperatuur van een chip en de omgevingstemperatuur wanneer een pakket op een PWB is gemonteerd. Natuurlijke convectie of geforceerde convectie zijn van toepassing op de meetomstandigheden. θja wordt gebruikt om de thermische prestaties tussen verschillende pakketten te vergelijken.

Ψjt is een thermische karakteriseringsparameter met betrekking tot het totale stroomverbruik (P) van een apparaat, die een temperatuurverschil aangeeft tussen de juncties van een chip (Tj) en het midden van het bovenoppervlak van een pakket (Tt). Ψjb is een thermische karakteriseringsparameter met betrekking tot het totale stroomverbruik (P) van een apparaat, die een temperatuurverschil aangeeft tussen de knooppunten van een chip (Tj) en het digibord dicht bij de verpakking (Tb). Ψjt enΨjb worden gebruikt om Tj te schatten uit P, Tt en Tb

θjc is de thermische weerstand tussen Tj en de temperatuur van het oppervlak van de verpakking (Tc) wanneer alle warmte van de juncties naar het bovenste oppervlak van de verpakking stroomt. θjc wordt voornamelijk gebruikt in het twee-resistermodel om Tj te schatten wanneer de meeste warmte van de juncties naar het bovenste oppervlak van de verpakking stroomt. θjb is de thermische weerstand tussen Tj en Tb wanneer alle warmte van de juncties naar de PWB stroomt. θjb wordt gebruikt voor het twee-resistermodel.

Referentie: JEDEC JESD51

Noten:

• Thermische weerstanden en thermische karakteriseringsparameters zijn sterk afhankelijk van de omgevingscondities.
• Om die reden specificeert JEDEC de aangewezen omgevingscondities om elke thermische weerstand te bepalen.
• Thermisch ontwerp van een systeem moet worden gedaan op basis van de gebruiksomstandigheden.
• In het bijzonder kan θjc te hoog worden ingeschat met betrekking tot de gebruiksomstandigheden, zoals de capaciteit van het koellichaam.

Definities van thermische weerstanden voor discrete apparaten

Transiënte thermische weerstanden, naast de steady-state thermische weerstanden, zijn van cruciaal belang voor discrete en vermogensapparaten vanwege hun hogere warmteafgifte.

Definitie van thermische parameters voor discrete apparaten

	Symbool	Beschrijving
Rated power	PT of Pch	PT of Pch is een bovengrens van het vermogen dat van toepassing is op een discreet apparaat, die meestal wordt bepaald door het vermogen om warmte af te voeren.
	TC of Tc	TC of Tc is de temperatuur in het middelpunt van het bodemoppervlak van een verpakking of bij de wortel van het lood voor Drain. *: C of c: case
	TA of Ta	TA of Ta is een omgevingstemperatuur *: A of a: ambient
Rated temperature	Tch(max)	Tch(max) is een bovengrens temperatuur van een kanaal (chip) van MOSFET. Normaal wordt deze gespecificeerd als
	Tstg	Tstg is een toelaatbaar temperatuurbereik in de opslag van MOSFET-apparaten of een module of apparaten die MOSFET bevatten.
Transient thermische weerstand	rth(t)	rth(t) is een reciproke getal van thermische geleidbaarheid van stroomverlies aan rechthoekige-puls voeding.
Steady state thermische weerstand	Rth(ch-C) of θch-c	Rth(ch-C) of θch-c is een thermische weerstand tussen kanalen en behuizing.
	Rth(ch-A) of θth	Rth(ch-A) of θth is een thermische weerstand tussen kanalen en omgevingstemperatuur.
	Rth(ch-C) of Rth(ch-A) kan worden verkregen uit de absoluut maximale rating, PT en Tch(max), volgens de volgende formule. *: het symbool kan variëren afhankelijk van de producten.

Figuur 4 Definitie van thermische parameters voor discrete apparaten