Mechanizm rozpraszania ciepła

Jedną z ważnych funkcji pakietów jest rozpraszanie ciepła generowanego przez urządzenia półprzewodnikowe, które są w nich umieszczone.

Generowanie ciepła wpływa na bezpieczeństwo, niezawodność i wydajność.

Ciepło jest generowane, gdy prąd przepływa przez rezystor w obwodzie elektrycznym.

Urządzenie półprzewodnikowe można traktować jako rodzaj rezystora, który wytwarza ciepło proporcjonalnie do rezystancji ON (rezystancji wewnętrznej, gdy przez urządzenie przepływa prąd) w miarę przepływu prądu.

Ciepło może mieć negatywny wpływ na samo urządzenie półprzewodnikowe, jak również na system elektroniczny, który wykorzystuje to urządzenie. W szczególności, może poważnie pogorszyć bezpieczeństwo, wydajność i niezawodność.

Nadmierne ciepło spowodowane złym projektem rozpraszania ciepła może powodować wydzielanie dymu lub zapalenie się, jak również pogorszenie wydajności urządzenia, takie jak spowolnienie jego prędkości działania, a w najgorszym przypadku, uszkodzenie urządzenia lub uniemożliwienie jego działania. Nawet jeśli można uniknąć najgorszego przypadku, ma to negatywny wpływ na niezawodność poprzez nieprawidłowe działanie urządzenia i krótszy czas życia systemu.

Aby uniknąć tych niekorzystnych efektów, projekt termiczny jest niezbędny dla pakietów półprzewodnikowych.

Ciepło jest uwalniane na trzy sposoby: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

Ciepło jest przekazywane na trzy sposoby: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Poniższy rysunek przedstawia przepływ ciepła od źródła (tj. układu scalonego) do miejsca docelowego, czyli atmosfery, w kontekście rzeczywistego środowiska pracy, które obejmuje płytki drukowane (PWB) i atmosferę.

Rysunek 1 Ścieżki rozpraszania ciepła i przyczyny oporu cieplnego

Rozpraszanie ciepła odbywa się głównie przez PWB.

Ponieważ promieniowanie cieplne jest skuteczne tylko wtedy, gdy powierzchnia pakietu jest wystarczająco duża, trzy ścieżki pokazane na poniższym rysunku stanowią główny wkład w rozpraszanie ciepła.

• Konwekcja z górnej powierzchni pakietu do atmosfery
• Konwekcja z zewnętrznych pinów/kul do PWB, a następnie konwekcja do atmosfery
• Konwekcja z boków pakietu do atmosfery

Rysunek 2 Ścieżki przepływu ciepła

Wśród tych trzech ścieżek, z tych trzech ścieżek, ścieżka rozpraszania ciepła przez przewód jest najbardziej efektywna i według niektórych obliczeń stanowi 80% całkowitego rozpraszania ciepła. Rzeczywiste analizy rozpraszania ciepła wskazują, że 90% ciepła jest uwalniane przez ścieżkę, gdy 352-pinowa PBGA jest zamontowana na 4-warstwowej obudowie, a tylko 10% ciepła jest rozpraszane z powierzchni pakietu.

Definicje rezystancji termicznych i parametrów charakterystyki termicznej dla układów scalonych

Metody pomiaru i definicje rezystancji termicznych są przedstawione poniżej w oparciu o specyfikacje JEDEC.

Rysunek 3 Definicje rezystancji termicznych i parametrów charakterystyki termicznej

θja jest rezystancją termiczną pomiędzy temperaturą złącza układu scalonego a temperaturą otoczenia, gdy pakiet jest zamontowany na PWB. Do warunków pomiaru stosuje się konwekcję naturalną lub wymuszoną. θja jest stosowana do porównywania wydajności termicznej różnych pakietów.

Ψjt jest parametrem charakterystyki termicznej w odniesieniu do całkowitego poboru mocy (P) urządzenia, wskazującym różnicę temperatury między złączami układu scalonego (Tj) a środkiem górnej powierzchni pakietu (Tt). Ψjb jest parametrem charakterystyki termicznej w odniesieniu do całkowitego poboru mocy (P) urządzenia, wskazującym różnicę temperatury między złączami układu scalonego (Tj) i PWB w pobliżu pakietu (Tb). Ψjt iΨjb są używane do szacowania Tj na podstawie P, Tt i Tb

θjc to opór cieplny między Tj a temperaturą powierzchni pakietu (Tc), gdy całe ciepło przepływa od złączy do górnej powierzchni pakietu. θjc jest głównie używany w modelu dwusieciowym do oszacowania Tj, gdy większość ciepła przepływa od złączy do górnej powierzchni pakietu. θjb to opór cieplny między Tj i Tb, gdy całe ciepło przepływa od złączy do PWB. θjb jest używany w modelu dwusieciowym.

Reference: JEDEC JESD51

Notatki:

• Rezystancje termiczne i parametry charakterystyki termicznej znacząco zależą od warunków środowiskowych.
• Z tego powodu JEDEC określa wyznaczone warunki środowiskowe do określenia każdej rezystancji termicznej.
• Projektowanie termiczne systemu musi być wykonane w oparciu o warunki użytkowania.
• Szczególnie, θjc może być nadmiernie oszacowane w odniesieniu do warunków użytkowania, takich jak zdolność radiatora.

Definicje rezystancji termicznych dla urządzeń dyskretnych

Transientowe rezystancje termiczne, oprócz rezystancji termicznych w stanie ustalonym, są kluczowe dla urządzeń dyskretnych i mocy z powodu ich większej emisji ciepła.

Definicja parametrów termicznych dla urządzeń dyskretnych

.

	Symbol	Opis
Moc znamionowa	PT lub Pch	PT lub Pch to górna granica mocy mająca zastosowanie do urządzenia dyskretnego, która jest głównie określana przez zdolność rozpraszania ciepła.
	TC lub Tc	TC lub Tc jest temperaturą w punkcie środkowym dolnej powierzchni pakietu lub u podstawy wyprowadzenia dla Drain. *: C lub c: case
	TA lub Ta	TA lub Ta jest temperaturą otoczenia *: A lub a: ambient
Rated temperature	Tch(max)	Tch(max) jest górną temperaturą graniczną kanału (chipu) MOSFET. Normalnie jest ona określona jako
	Tstg	Tstg jest dopuszczalnym zakresem temperatury w przechowywaniu urządzeń MOSFET lub modułu lub urządzeń zawierających MOSFET.
Transientowa rezystancja termiczna	rth(t)	rth(t) jest liczbą odwrotną przewodności cieplnej strat mocy na zasilanie impulsem prostokątnym.
Oporność cieplna w stanie ustalonym	Rth(ch-C) lub θch-c	Rth(ch-C) lub θch-c jest opornością cieplną pomiędzy kanałami i obudową.
	Rth(ch-A) lub θth	Rth(ch-A) lub θth jest rezystancją termiczną pomiędzy kanałami a temperaturą otoczenia.
	Rth(ch-C) lub Rth(ch-A) można uzyskać z absolutnie maksymalnej wartości znamionowej, PT i Tch(max), zgodnie z następującym wzorem. *: symbol może się różnić w zależności od produktów.

Rysunek 4 Definicja parametrów termicznych dla urządzeń dyskretnych

.