Omówienie koncepcji odprowadzania i wytwarzania ciepła przez wióry

    W tym artykule omówiono głównie koncepcje rozpraszania/nagrzewania chipów, oporu cieplnego, wzrostu temperatury i konstrukcji termicznej.

Nagrzewanie i utrata wiórów

Z jednej strony utrata mocy chipa odnosi się do różnicy między efektywną mocą wejściową a mocą wyjściową, co nazywa się mocą rozproszoną. Ta część strat zostanie zamieniona na uwolnienie ciepła. Wytwarzanie ciepła nie jest dobrą rzeczą i zmniejszy niezawodność komponentów i sprzętu. To poważnie uszkodzi chip.

Moc rozpraszania. W specyfikacji SPEC niektórych chipów będzie podany ten parametr, który odnosi się do maksymalnego dopuszczalnego rozpraszania mocy, rozpraszania mocy i ciepła. Im większe jest dopuszczalne rozpraszanie mocy, tym większa jest odpowiednia temperatura złącza.

Z drugiej strony zużycie energii przez chip odnosi się do ilości energii zużywanej przez sprzęt elektryczny na jednostkę czasu, a jednostką jest W, np. klimatyzator o mocy 2000 W i tak dalej.

Opór cieplny i wzrost temperatury

Wszyscy znamy powiedzenie: Śnieg nie chłodzi, a śnieg staje się zimny. Jest to proces fizyczny. Opady śniegu to proces desublimacji i egzotermii, a topnienie śniegu to proces topienia i pochłaniania ciepła. Wzrost temperatury chipa zależy od temperatury otoczenia (25 stopni), dlatego należy wspomnieć o pojęciu oporu cieplnego.

Opór cieplny odnosi się do stosunku różnicy temperatur na obu końcach obiektu do mocy źródła ciepła podczas przenoszenia ciepła na obiekt, a jednostką jest stopień/W lub K/W. Jak pokazano na poniższym rysunku, podczas lutowania chipa na płytce drukowanej istnieją trzy główne ścieżki rozpraszania ciepła przez chip, odpowiadające trzem oporom termicznym.

1. Opór cieplny od wnętrza chipa do obudowy i pinów – chip jest stały i nie można go zmienić.

2. Opór cieplny od pinów chipa do płytki PCB - określony przez dobre lutowanie i płytkę PCB.

3. Opór cieplny obudowy chipa do powietrza - wyznaczany przez radiator i przestrzeń obwodową chipa. Parametry rezystancji termicznej układów półprzewodnikowych

Ta to temperatura otoczenia, Tc to temperatura powierzchni obudowy, a Tj to temperatura złącza. Θja: Opór cieplny pomiędzy temperaturą złącza (Tj) a temperaturą otoczenia (Ta). Θjc: Opór cieplny pomiędzy temperaturą złącza (Tj) a temperaturą powierzchni obudowy (Tc). Θca: Opór cieplny pomiędzy temperaturą powierzchni obudowy (Tc) a temperaturą otoczenia (Ta).

Wzór obliczeniowy oporu cieplnego jest następujący: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta plus Θja*Pd gdzie Θja*Pd to wzrost temperatury, który można również nazwać wartością opałową .

1. W warunkach stałego oporu cieplnego, im mniejszy pobór mocy Pd, tym niższa będzie temperatura.

2. Przy określonym poborze mocy im mniejszy opór cieplny, tym lepszy, a im mniejszy opór cieplny, tym lepsze odprowadzanie ciepła.

Błędy w obliczeniach temperatury złącza

Wiele osób używa tego wzoru do obliczenia temperatury złącza: Tj=Ta plus Θja*Pd, co jest podane w dokumentacji TI, ale nie jest dokładne.

Ogólne znaczenie jest takie, że Θja jest funkcją wielu zmiennych, która nie może odzwierciedlać rzeczywistej sytuacji chipa przylutowanego do PCB i ma silną korelację z konstrukcją PCB i rozmiarem chipa/padu. Wraz ze zmianą tych czynników zmieni się również wartość Θja. Istnieje duża różnica między producentami chipów testującymi Θja a naszym rzeczywistym wykorzystaniem, dlatego służy ona do obliczenia temperatury złącza, a błąd będzie duży.

Opór cieplny Θja ma silną korelację z tymi parametrami

Jednocześnie użycie wzoru Tj=Tc plus Θjc*Pd do pomiaru temperatury Tc powłoki chipa za pomocą kamery na podczerwień, a następnie obliczenie Tj jest mało dokładne. Podane przez producenta wartości Θja i Θjc mogą nam bardziej pomóc w ocenie wydajności termicznej chipa i porównaniu go z innymi chipami.

W parametrach niektórych chipów będzie ΨJT i ΨJB. Te dwa parametry nie stanowią rzeczywistego oporu cieplnego. Metoda stosowana przez producentów chipów do testowania ΨJT i ΨJB jest bardzo zbliżona do środowiska aplikacyjnego rzeczywistego urządzenia, dzięki czemu można ją zastosować do oszacowania temperatury złącza. Jest to również przyjęte w przemyśle i można zauważyć, że te dwa parametry są mniejsze niż Θja i Θjc, więc przy tym samym poborze mocy temperatura złącza obliczona przez Θja jest wyższa niż temperatura rzeczywista.

ΨJT odnosi się do połączenia z górną częścią pakietu, parametru od złącza do powłoki obudowy, wzór obliczeniowy to Tj=Tc plus ΨJT*Pd, Tc to temperatura powłoki chipa. ΨJB, odnosi się do parametrów połączenia z płytką, połączenia z płytką PCB, wzór obliczeniowy to: Tj=Tb plus ΨJB*Pd, Tb to temperatura płytki PCB.

ΨJT i ΨJB można wykorzystać do obliczenia temperatury złącza

Projekt termiczny

Projekt termiczny jest taki sam jak problem EMC, najlepiej go rozwiązać na wczesnym etapie, w przeciwnym razie późniejsze naprawienie będzie bardzo kłopotliwe. Na wczesnym etapie projektowania rozważana jest konstrukcja, ułożenie PCB, układ, dekoracja itp., a na późniejszym etapie rozważane są materiały odprowadzające ciepło.