Mecanism de disipare a căldurii

Una dintre funcțiile importante ale pachetelor este de a disipa căldura generată de dispozitivele semiconductoare pe care le adăpostesc.

Generarea căldurii afectează siguranța, fiabilitatea și performanța.

Căldura este generată atunci când un curent trece printr-un rezistor într-un circuit electric.

Un dispozitiv semiconductor poate fi considerat un tip de rezistență care generează căldură proporțional cu rezistența ON (rezistența internă atunci când un curent trece prin dispozitiv) pe măsură ce trece curentul.

Căldura poate afecta în mod negativ dispozitivul semiconductor în sine, precum și sistemul electronic care utilizează acel dispozitiv. În special, poate afecta grav siguranța, performanța și fiabilitatea.

Căldura excesivă cauzată de o proiectare deficitară a disipării căldurii poate avea ca rezultat emiterea de fum sau luarea de foc, precum și degradarea performanțelor dispozitivului, cum ar fi încetinirea vitezei sale de funcționare și, în cel mai rău caz, deteriorarea dispozitivului sau scoaterea acestuia din funcțiune. Chiar dacă cel mai rău caz poate fi evitat, fiabilitatea este afectată negativ prin defecțiuni ale dispozitivului și o durată de viață mai scurtă a sistemului.

Pentru a evita aceste efecte negative, proiectarea termică este esențială pentru pachetele semiconductoarelor.

Căldura este eliberată în trei moduri: conducție, convecție și radiație.

Căldura este transferată în trei moduri: conducție, convecție și radiație. imaginea de mai jos arată modul în care căldura circulă de la sursă (adică cipul) până la destinația finală, atmosfera, în contextul unui mediu de funcționare real care include placa de circuite imprimate (PWB) și o atmosferă.

Figura 1 Căile de disipare a căldurii și cauzele rezistenței termice

Disiparea căldurii se face în principal prin PWB.

Din moment ce radiația de căldură este eficientă numai atunci când suprafața pachetului este suficient de mare, următoarele trei căi prezentate în diagrama de mai jos reprezintă principala contribuție la disiparea căldurii.

• Convecție de la suprafața superioară a pachetului în atmosferă
• Conducție de la pinii/biletele externe la PWB și apoi convecție în atmosferă
• Convecție dinspre părțile laterale ale pachetului în atmosferă

Figura 2 Căile de circulație a căldurii

Dintre aceste trei căi, calea de disipare a căldurii prin intermediul este cea mai eficientă și, conform unor calcule, reprezintă 80% din disiparea totală a căldurii. Analizele efective ale disipării căldurii indică faptul că 90% din căldură este eliberată prin intermediul lui atunci când un PBGA cu 352 de pini este montat pe un pachet cu 4 straturi și doar 10% din căldură este disipată de pe suprafața pachetului.

Definiții ale rezistențelor termice și parametrii caracteristici termice pentru circuite integrate

Metodele de măsurare și definițiile rezistențelor termice sunt prezentate mai jos, pe baza specificațiilor JEDEC.

Figura 3 Definiții ale rezistențelor termice și ale parametrilor caracteristici termice

θja este o rezistență termică între temperatura de joncțiune a unui cip și temperatura ambiantă atunci când un pachet este montat pe PWB. Convecția naturală sau convecția forțată se va aplica condițiilor de măsurare. θja este utilizată pentru a compara performanța termică între diverse pachete.

Ψjt este un parametru de caracterizare termică în raport cu consumul total de energie (P) al unui dispozitiv, indicând o diferență de temperatură între joncțiunile unui cip (Tj) și centrul suprafeței superioare a unui pachet (Tt). Ψjb este un parametru de caracterizare termică în raport cu consumul total de energie (P) al unui dispozitiv, indicând o diferență de temperatură între joncțiunile unui cip (Tj) și PWB din apropierea pachetului (Tb). Ψjt șiΨjb sunt utilizate pentru a estima Tj din P, Tt și Tb

θjc este rezistența termică dintre Tj și temperatura de la suprafața pachetului (Tc) atunci când întreaga căldură trece de la joncțiuni la suprafața superioară a pachetului. θjc este utilizat în principal în modelul cu două rezistențe pentru a estima Tj atunci când cea mai mare parte a căldurii curge de la joncțiuni la suprafața superioară a pachetului. θjb este rezistența termică dintre Tj și Tb atunci când întreaga căldură curge de la joncțiuni la PWB. θjb este utilizat pentru modelul cu două rezistențe.

Referință: JEDEC JESD51

Note:

• Rezistențele termice și parametrii de caracterizare termică depind în mod semnificativ de condițiile de mediu.
• Din acest motiv, JEDEC specifică condițiile de mediu desemnate pentru a determina fiecare rezistență termică.
• Proiectarea termică a unui sistem trebuie să se facă pe baza condițiilor de utilizare.
• În special, θjc poate fi estimat în mod excesiv în raport cu condițiile de utilizare, cum ar fi capacitatea radiatorului.

Definiții ale rezistențelor termice pentru dispozitive discrete

Rezistențele termice tranzitorii, în plus față de rezistențele termice în regim staționar, sunt cruciale pentru dispozitivele discrete și de putere din cauza emisiei mai mari de căldură.

Definiții ale parametrilor termici pentru dispozitive discrete

.

	Simbol	Descriere
Putere nominală	PT sau Pch	PT sau Pch este o limită superioară de putere aplicabilă unui dispozitiv discret, care este determinată în principal de capacitatea de disipare a căldurii.
	TC sau Tc	TC sau Tc este o temperatură în punctul central al suprafeței inferioare a unui pachet sau la rădăcina plumbului pentru Drain. *: C sau c: caz
	TA sau Ta	TA sau Ta este o temperatură ambiantă *: A sau a: ambient
Temperatura nominală	Tch(max)	Tch(max) este o temperatură limită superioară a unui canal (cip) de MOSFET. În mod normal, este specificată ca fiind
	Tstg	Tstg este un interval de temperatură admisibil în stocarea dispozitivelor MOSFET sau a unui modul sau a unor dispozitive care conțin MOSFET.
Rezistența termică tranzitorie	rth(t)	rth(t) este un număr reciproc al conductivității termice a pierderii de putere la sursa de alimentare cu impulsuri rectangulare.
Rezistența termică în regim staționar	Rth(ch-C) sau θch-c	Rth(ch-C) sau θch-c este o rezistență termică între canale și carcasă.
	Rth(ch-A) sau θth	Rth(ch-A) sau θth	Rth(ch-A) sau θth este o rezistență termică între canale și temperatura ambiantă.
	Rth(ch-C) sau Rth(ch-A) poate fi obținută din valorile nominale absolut maxime, PT și Tch(max), conform următoarei formule. *: simbolul poate varia în funcție de produse.

Figura 4 Definirea parametrilor termici pentru dispozitive discrete

.