Razprava o konceptih odvajanja toplote čipov in ustvarjanja toplote

    Ta članek obravnava predvsem koncepte odvajanja/segrevanja toplote čipov, toplotne odpornosti, dviga temperature in toplotne zasnove.

Ogrevanje in izguba čipov

Izguba moči čipa se na eni strani nanaša na razliko med dejansko vhodno močjo in izhodno močjo, ki se imenuje razpršena moč. Ta del izgube se bo pretvoril v sproščanje toplote. Proizvodnja toplote ni dobra stvar in bo zmanjšala zanesljivost komponent in opreme. To bo resno poškodovalo čip.

Disipacijska moč, ta parameter bo v SPEC nekaterih čipov, ki se nanaša na največjo dovoljeno disipacijo moči, disipacija moči in toplota ustrezata, večja kot je dovoljena disipacija moči, višja bo tudi ustrezna temperatura spoja.

Po drugi strani pa se poraba energije čipa nanaša na količino energije, ki jo porabi električna oprema na časovno enoto, enota pa je W, kot je klimatska naprava 2000 W in tako naprej.

Toplotna odpornost in dvig temperature

Vsi poznamo pregovor: Sneg ne hladi in sneg hladi. To je fizični proces. Sneženje je proces desublimacije in eksotermnosti, taljenje snega pa proces taljenja in absorbiranja toplote. Povišanje temperature čipa je relativno glede na temperaturo okolja (25 stopinj), zato je treba omeniti koncept toplotne odpornosti.

Toplotni upor se nanaša na razmerje med temperaturno razliko na obeh koncih predmeta in močjo vira toplote, ko se toplota prenaša na predmet, enota pa je stopinja /W ali K/W. Kot je prikazano na spodnji sliki, ko je čip spajkan na PCB, obstajajo tri glavne poti odvajanja toplote za čip, ki ustrezajo trem toplotnim uporom.

1. Toplotni upor od notranjosti čipa do lupine in zatičev - čip je fiksen in ga ni mogoče spremeniti.

2. Toplotna upornost od zatičev čipa do plošče tiskanega vezja - določena z dobrim spajkanjem in ploščo tiskanega vezja.

3. Toplotni upor med ohišjem čipa in zrakom - določen s hladilnikom in obrobnim prostorom čipa. Parametri toplotne upornosti polprevodniškega čipa

Ta je temperatura okolice, Tc je temperatura površine ohišja in Tj je temperatura spoja. Θja: Toplotna upornost med temperaturo spoja (Tj) in temperaturo okolja (Ta). Θjc: Toplotna upornost med temperaturo spoja (Tj) in temperaturo površine ohišja (Tc). Θca: Toplotna upornost med temperaturo površine ohišja (Tc) in temperaturo okolja (Ta).

Formula za izračun toplotne upornosti je: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta plus Θja*Pd, kjer je Θja*Pd dvig temperature, ki ga lahko imenujemo tudi kalorična vrednost .

1. Pod pogojem stalne toplotne odpornosti, manjša kot je poraba energije Pd, nižja bo temperatura.

2. V primeru določene porabe energije, manjši kot je toplotni upor, tem bolje, in manjši kot je toplotni upor, boljše je odvajanje toplote.

Napake pri izračunu temperature spoja

Veliko ljudi uporablja to formulo za izračun temperature spoja: Tj=Ta plus Θja*Pd, ki je navedena v dokumentaciji TI, vendar ni točna.

Splošni pomen je, da je Θja funkcija z več spremenljivkami, ki ne more odražati dejanskega stanja čipa, spajkanega na tiskanem vezju, in ima močno korelacijo z zasnovo tiskanega vezja in velikostjo čipa/podloge. Ko se ti dejavniki spremenijo, se bo spremenila tudi vrednost Θja. Obstaja velika razlika med proizvajalci čipov, ki testirajo Θja, in našo dejansko uporabo, zato se uporablja za izračun temperature spoja in napaka bo velika.

Toplotna upornost Θja ima močno korelacijo s temi parametri

Istočasno uporaba formule Tj=Tc plus Θjc*Pd za merjenje temperature Tc ohišja čipa z infrardečo kamero in nato izračunavanje Tj ni zelo natančno. Θja in Θjc, ki ju je navedel proizvajalec, bosta morda bolj primerna za oceno toplotne zmogljivosti čipa in primerjavo z drugimi čipi.

V parametrih nekaterih čipov bosta ΨJT in ΨJB. Ta dva parametra nista prava toplotna odpornost. Metoda, ki jo proizvajalci čipov uporabljajo za testiranje ΨJT in ΨJB, je zelo blizu okolju uporabe dejanske naprave, zato jo je mogoče uporabiti za oceno temperature spoja. Sprejema ga tudi industrija in razvidno je, da sta ta parametra manjša od Θja in Θjc, zato je pri enaki porabi energije temperatura spoja, izračunana z Θja, višja od dejanske temperature.

ΨJT se nanaša na spoj do vrha paketa, parameter od spoja do ovoja paketa, formula za izračun je Tj=Tc plus ΨJT*Pd, Tc je temperatura ovoja čipa. ΨJB, se nanaša na parametre spoja na ploščo, spoj na ploščo PCB, formula za izračun je: Tj=Tb plus ΨJB*Pd, Tb je temperatura plošče PCB.

ΨJT in ΨJB se lahko uporabita za izračun temperature spoja

Toplotna zasnova

Toplotna zasnova je enaka problemu EMC, najbolje ga je rešiti v zgodnji fazi, sicer bo poznejša odprava zelo težavna. V zgodnji fazi načrtovanja se upošteva struktura, zlaganje PCB, postavitev, dekoracija itd., materiali za odvajanje toplote pa se upoštevajo v kasnejši fazi.