Συζήτηση για τις έννοιες της διάχυσης θερμότητας από τσιπ και της παραγωγής θερμότητας
Αυτό το άρθρο εξετάζει κυρίως τις έννοιες της διάχυσης/θέρμανσης θερμότητας τσιπ, της θερμικής αντίστασης, της αύξησης της θερμοκρασίας και του θερμικού σχεδιασμού.
Θέρμανση και απώλεια τσιπ
Η απώλεια ισχύος του τσιπ, αφενός, αναφέρεται στη διαφορά μεταξύ της πραγματικής ισχύος εισόδου και της ισχύος εξόδου, η οποία ονομάζεται διασκορπισμένη ισχύς. Αυτό το μέρος της απώλειας θα μετατραπεί σε απελευθέρωση θερμότητας. Η παραγωγή θερμότητας δεν είναι καλό πράγμα και θα μειώσει την αξιοπιστία των εξαρτημάτων και του εξοπλισμού. Θα βλάψει σοβαρά το τσιπ.
Ισχύς απαγωγής, θα υπάρχει αυτή η παράμετρος στο SPEC ορισμένων τσιπ, η οποία αναφέρεται στη μέγιστη επιτρεπόμενη απαγωγή ισχύος, η απαγωγή ισχύος και η θερμότητα αντιστοιχούν, όσο μεγαλύτερη είναι η επιτρεπόμενη διασπορά ισχύος, η αντίστοιχη θερμοκρασία διακλάδωσης θα είναι επίσης μεγαλύτερη.
Από την άλλη πλευρά, η κατανάλωση ισχύος τσιπ αναφέρεται στην ποσότητα ενέργειας που καταναλώνεται από τον ηλεκτρικό εξοπλισμό ανά μονάδα χρόνου και η μονάδα είναι W, όπως ένα κλιματιστικό 2000W κ.ο.κ.
Θερμική αντίσταση και άνοδος θερμοκρασίας
Όλοι γνωρίζουμε ένα ρητό: Το χιόνι δεν κρυώνει και το χιόνι γίνεται κρύο. Αυτή είναι μια φυσική διαδικασία. Η χιονόπτωση είναι μια διαδικασία αφυδάτωσης και εξώθερμης, και το λιώσιμο του χιονιού είναι μια διαδικασία τήξης και απορρόφησης θερμότητας. Η άνοδος της θερμοκρασίας του τσιπ είναι σχετική με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (25 μοίρες), επομένως πρέπει να αναφερθεί η έννοια της θερμικής αντίστασης.
Η θερμική αντίσταση αναφέρεται στην αναλογία μεταξύ της διαφοράς θερμοκρασίας και στα δύο άκρα του αντικειμένου και της ισχύος της πηγής θερμότητας όταν η θερμότητα μεταδίδεται στο αντικείμενο και η μονάδα είναι βαθμός /W ή K/W. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, όταν ένα τσιπ συγκολλάται σε ένα PCB, υπάρχουν τρεις κύριες διαδρομές απαγωγής θερμότητας για το τσιπ, που αντιστοιχούν σε τρεις θερμικές αντιστάσεις.
1. Η θερμική αντίσταση από το εσωτερικό του τσιπ μέχρι το κέλυφος και τις ακίδες - το τσιπ είναι σταθερό και δεν μπορεί να αλλάξει.
2. Η θερμική αντίσταση από τις ακίδες του τσιπ στην πλακέτα PCB - καθορίζεται από την καλή συγκόλληση και την πλακέτα PCB.
3. Η θερμική αντίσταση από τη θήκη του τσιπ στον αέρα - καθορίζεται από την ψύκτρα και τον περιφερειακό χώρο του τσιπ. Παράμετροι θερμικής αντίστασης τσιπ ημιαγωγών
Ta είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος, Tc είναι η θερμοκρασία επιφάνειας περίπτωσης και Tj είναι η θερμοκρασία διασταύρωσης. Θja: Θερμική αντίσταση μεταξύ θερμοκρασίας σύνδεσης (Tj) και θερμοκρασίας περιβάλλοντος (Ta). Θjc: Θερμική αντίσταση μεταξύ της θερμοκρασίας διασταύρωσης (Tj) και της θερμοκρασίας επιφάνειας της θήκης (Tc). Θca: Θερμική αντίσταση μεταξύ θερμοκρασίας επιφάνειας θήκης (Tc) και θερμοκρασίας περιβάλλοντος (Ta).
Ο τύπος υπολογισμού της θερμικής αντίστασης είναι: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta συν Θja*Pd όπου Θja*Pd είναι η αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία μπορεί επίσης να ονομαστεί θερμογόνος δύναμη .
1. Υπό τις συνθήκες σταθερής θερμικής αντίστασης, όσο μικρότερη είναι η κατανάλωση ισχύος Pd, τόσο χαμηλότερη θα είναι η θερμοκρασία.
2. Στην περίπτωση ορισμένης κατανάλωσης ενέργειας, όσο μικρότερη είναι η θερμική αντίσταση, τόσο καλύτερη, και όσο μικρότερη είναι η θερμική αντίσταση, τόσο καλύτερη είναι η διάχυση της θερμότητας.
Σφάλματα υπολογισμού θερμοκρασίας διακλάδωσης
Πολλοί άνθρωποι χρησιμοποιούν αυτόν τον τύπο για να υπολογίσουν τη θερμοκρασία της διασταύρωσης: Tj=Ta συν Θja*Pd, ο οποίος αναφέρεται στην τεκμηρίωση του TI, αλλά δεν είναι ακριβής.
Η γενική έννοια είναι ότι το Θja είναι μια συνάρτηση πολλαπλών μεταβλητών, η οποία δεν μπορεί να αντικατοπτρίζει την πραγματική κατάσταση του τσιπ που είναι συγκολλημένο στο PCB και έχει ισχυρή συσχέτιση με το σχεδιασμό του PCB και το μέγεθος του Chip/Pad. Καθώς αλλάζουν αυτοί οι παράγοντες, θα αλλάξει και η τιμή του Θja. Υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ των κατασκευαστών τσιπ που δοκιμάζουν το Θja και της πραγματικής μας χρήσης, επομένως χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας της διασταύρωσης και το σφάλμα θα είναι μεγάλο.
Η θερμική αντίσταση Θja έχει ισχυρή συσχέτιση με αυτές τις παραμέτρους
Ταυτόχρονα, η χρήση του τύπου Tj=Tc συν Θjc*Pd για τη μέτρηση της θερμοκρασίας Tc του κελύφους του τσιπ με κάμερα υπερύθρων και στη συνέχεια ο υπολογισμός του Tj δεν είναι πολύ ακριβής. Τα Θja και Θjc που δίνονται από τον κατασκευαστή μπορεί να είναι περισσότερα για να αξιολογήσουμε τη θερμική απόδοση του τσιπ και να το συγκρίνουμε με άλλα τσιπ.
Στις παραμέτρους κάποιων τσιπ θα υπάρχουν ΨJT και ΨJB. Αυτές οι δύο παράμετροι δεν είναι πραγματική θερμική αντίσταση. Η μέθοδος που χρησιμοποιούν οι κατασκευαστές τσιπ για τον έλεγχο των ΨJT και ΨJB είναι πολύ κοντά στο περιβάλλον εφαρμογής της πραγματικής συσκευής, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της θερμοκρασίας της διασταύρωσης. Υιοθετείται επίσης από τη βιομηχανία και μπορεί να φανεί ότι αυτές οι δύο παράμετροι είναι μικρότερες από τις Θja και Θjc, επομένως με την ίδια κατανάλωση ενέργειας, η θερμοκρασία διασταύρωσης που υπολογίζεται από τη Θja είναι υψηλότερη από την πραγματική θερμοκρασία .
Το ΨJT αναφέρεται στο Junction to Top of Package, η παράμετρος από διασταύρωση σε κέλυφος συσκευασίας, ο τύπος υπολογισμού είναι Tj=Tc συν ΨJT*Pd, Tc είναι η θερμοκρασία του κελύφους του τσιπ. ΨJB, αναφέρεται στις παραμέτρους Junction to Board, Junction to PCB Board, ο τύπος υπολογισμού είναι: Tj=Tb συν ΨJB*Pd, Tb είναι η θερμοκρασία της πλακέτας PCB.
Τα ΨJT και ΨJB μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας της διασταύρωσης
Θερμικός σχεδιασμός
Ο θερμικός σχεδιασμός είναι ο ίδιος με το πρόβλημα EMC, είναι καλύτερο να το λύσετε στο αρχικό στάδιο, διαφορετικά η μεταγενέστερη διόρθωση θα είναι πολύ ενοχλητική. Στο αρχικό στάδιο του σχεδιασμού, εξετάζονται η δομή, η στοίβαξη PCB, η διάταξη, η διακόσμηση κ.λπ. και τα υλικά απαγωγής θερμότητας εξετάζονται στο μεταγενέστερο στάδιο.
