Mekanism för värmeavledning

En av paketens viktiga funktioner är att avleda den värme som genereras av de halvledarkomponenter som de rymmer.

Värmegenerering påverkar säkerheten, tillförlitligheten och prestandan.

Värme genereras när strömmen går genom ett motstånd i en elektrisk krets.

En halvledarenhet kan betraktas som en typ av motstånd som genererar värme i proportion till ON-motståndet (inre motstånd när en ström flyter genom enheten) när strömmen flyter igenom.

Värme kan ha en negativ inverkan på själva halvledarenheten samt på det elektroniska system som använder den enheten. I synnerhet kan den allvarligt försämra säkerheten, prestandan och tillförlitligheten.

Överdriven värme som orsakas av en dålig utformning av värmeavledningen kan leda till att rök avges eller att den fattar eld, samt försämra enhetens prestanda, t.ex. sänka dess driftshastighet, och i värsta fall skada enheten eller göra den obrukbar. Även om det värsta fallet kan undvikas påverkas tillförlitligheten negativt genom fel i enheten och en kortare systemlivslängd.

För att undvika dessa negativa effekter är termisk design väsentlig för halvledarförpackningar.

Värme frigörs på tre sätt: konduktion, konvektion och strålning.

Värme överförs på tre sätt: konduktion, konvektion och strålning. Bilden nedan visar hur värmen flödar från källan (dvs. chipet) till slutdestinationen, atmosfären, i samband med en verklig driftsmiljö som innefattar ett tryckt kretskort (PWB) och en atmosfär.

Figur 1 Värmeavledningsvägar och orsaker till termisk resistans

Värmeavledning sker främst genom PWB.

Med tanke på att värmestrålning endast är effektiv när paketets yta är tillräckligt stor, är följande tre vägar som visas i diagrammet nedan huvudbidrag till värmeavledningen.

• Konvektion från paketets övre yta till atmosfären
• Konduktion från de yttre stiften/kulorna till PWB och sedan konvektion till atmosfären
• Konvektion från paketets sidor till atmosfären

Figur 2 Värmeflödesvägar

Vad gäller dessa tre vägar, är värmespridningsvägen via den mest effektiva och står enligt vissa beräkningar för 80 % av den totala värmespridningen. Faktiska analyser av värmeavledning visar att 90 % av värmen släpps ut via den när en 352-stifts PBGA monteras på ett 4-lager, och endast 10 % av värmen avges från paketets yta.

Definitioner av termiska motstånd och termiska karakteristiska parametrar för IC

Mätmetoder och definitioner av termiska motstånd visas nedan baserat på JEDEC-specifikationer.

Figur 3 Definitioner av termiska motstånd och termiska karakteristiska parametrar

θja är ett termiskt motstånd mellan ett chips junctiontemperatur och den omgivande temperaturen när ett paket är monterat på PWB. Naturlig konvektion eller forcerad konvektion gäller för mätförhållandena. θja används för att jämföra den termiska prestandan mellan olika paket.

Ψjt är en termisk karakteriseringsparameter med avseende på en enhets totala energiförbrukning (P), som anger en temperaturskillnad mellan ett chips skarvpunkter (Tj) och mitten av ett pakets övre yta (Tt). Ψjb är en termisk karakteriseringsparameter med avseende på den totala energiförbrukningen (P) för en anordning, som anger en temperaturskillnad mellan anslutningar av ett chip (Tj) och PWB nära paketet (Tb). Ψjt ochΨjb används för att uppskatta Tj från P, Tt och Tb

θjc är det termiska motståndet mellan Tj och paketets yttemperatur (Tc) när hela värmen flödar från förbindningarna till paketets övre yta. θjc används främst i två-resistermodellen för att uppskatta Tj när det mesta av värmen flödar från sammanfogningarna till den övre paketytan. θjb är det termiska motståndet mellan Tj och Tb när hela värmen flödar från sammanfogningarna till PWB. θjb används för två-resistermodellen.

Referens: JEDEC JESD51

Anmärkningar:

• Termiska motstånd och termiska karakteriseringsparametrar beror i hög grad på miljöförhållandena.
• Därför specificerar JEDEC de utsedda miljöförhållandena för att bestämma varje termiskt motstånd.
• Den termiska utformningen av ett system måste göras baserat på användningsförhållandena.
• Särskilt kan θjc uppskattas överdrivet med hänsyn till användningsförhållandena, t.ex. kylflänsens kapacitet.

Definitioner av termiska motstånd för diskreta enheter

Transienta termiska motstånd, utöver termiska motstånd i stationärt tillstånd, är avgörande för diskreta enheter och effektkomponenter på grund av deras högre värmeavgivning.

Definition av termiska parametrar för diskreta enheter

	Symbol	Beskrivning
Rated power	PT eller Pch	PT eller Pch är en övre gräns för den effekt som gäller för en diskret enhet, som till största delen bestäms av värmeavledningsförmågan.
	TC eller Tc	TC eller Tc är en temperatur vid centrumpunkten av bottenytan på ett paket eller vid roten av ledningen för Drain. *: C eller c: fall
	TA eller Ta	TA eller Ta är en omgivningstemperatur *: A eller a: omgivning
Rated temperature	Tch(max)	Tch(max) är en övre gränstemperatur för en kanal (chip) i en MOSFET. Normalt anges den till
	Tstg	Tstg är ett tillåtet temperaturområde vid lagring av MOSFET-enheter eller en modul eller enheter som innehåller MOSFET.
Transient termisk resistans	rth(t)	rth(t) är ett reciprokt tal för värmeledningsförmåga av effektförlust till rektangulär-pulserande strömförsörjning.
Temperaturmotstånd i stationärt tillstånd	Rth(ch-C) eller θch-c	Rth(ch-C) eller θch-c är ett termiskt motstånd mellan kanaler och hölje.
	Rth(ch-A) eller θth	Rth(ch-A) eller θth är ett termiskt motstånd mellan kanaler och omgivande temperatur.
	Rth(ch-C) eller Rth(ch-A) kan erhållas från den absolut maximala nominella effekten, PT och Tch(max), enligt följande formel. *: symbolen kan variera beroende på produkter.

Figur 4 Definition av termiska parametrar för diskreta enheter

.