بحث در مورد مفاهیم اتلاف حرارت تراشه و تولید گرما

    این مقاله عمدتاً مفاهیم اتلاف/گرمایش حرارت تراشه، مقاومت حرارتی، افزایش دما و طراحی حرارتی را مورد بحث قرار می‌دهد.

گرم شدن و از دست دادن تراشه

اتلاف توان تراشه از یک سو به تفاوت توان ورودی موثر و توان خروجی اشاره دارد که به آن توان تلف شده می گویند. این بخش از تلفات به انتشار گرما تبدیل می شود. تولید گرما چیز خوبی نیست و باعث کاهش قابلیت اطمینان قطعات و تجهیزات می شود. به تراشه آسیب جدی وارد می کند.

توان اتلاف، این پارامتر در SPEC برخی از تراشه ها وجود خواهد داشت که اشاره به حداکثر اتلاف توان مجاز، اتلاف توان و گرما دارد، هر چه اتلاف توان مجاز بیشتر باشد، دمای اتصال مربوطه نیز بیشتر خواهد بود.

از طرفی توان مصرفی تراشه به میزان انرژی مصرفی تجهیزات الکتریکی در واحد زمان اشاره دارد و واحد آن W است مانند کولرگازی 2000 وات و غیره.

مقاومت حرارتی و افزایش دما

همه ما ضرب المثلی را می دانیم: برف خنک نمی شود و برف سرد می شود. این یک فرآیند فیزیکی است. بارش برف فرآیندی از سفلی و گرمازایی است و ذوب برف فرآیند ذوب و جذب گرما است. افزایش دمای تراشه نسبت به دمای محیط (25 درجه) است، بنابراین مفهوم مقاومت حرارتی باید ذکر شود.

مقاومت حرارتی به نسبت بین اختلاف دما در هر دو انتهای جسم و قدرت منبع گرما هنگام انتقال گرما به جسم اشاره دارد و واحد درجه /W یا K/W است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، هنگامی که یک تراشه روی PCB لحیم می شود، سه مسیر اصلی اتلاف حرارت برای تراشه وجود دارد که مربوط به سه مقاومت حرارتی است.

1. مقاومت حرارتی از داخل تراشه به پوسته و پین - تراشه ثابت است و قابل تغییر نیست.

2. مقاومت حرارتی از پین های تراشه به برد PCB - توسط لحیم کاری خوب و برد PCB تعیین می شود.

3. مقاومت حرارتی از محفظه تراشه به هوا - توسط هیت سینک و فضای محیطی تراشه تعیین می شود. پارامترهای مقاومت حرارتی تراشه نیمه هادی

Ta دمای محیط، Tc دمای سطح مورد، و Tj دمای محل اتصال است. Θja: مقاومت حرارتی بین دمای محل اتصال (Tj) و دمای محیط (Ta). Θjc: مقاومت حرارتی بین دمای محل اتصال (Tj) و دمای سطح مورد (Tc). Θca: مقاومت حرارتی بین دمای سطح کیس (Tc) و دمای محیط (Ta).

فرمول محاسبه مقاومت حرارتی به این صورت است: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta به علاوه Θja*Pd که در آن Θja*Pd افزایش دما است که می توان آن را ارزش حرارتی نیز نامید. .

1. در شرایط مقاومت حرارتی ثابت، هرچه توان مصرفی Pd کمتر باشد، دما کمتر خواهد بود.

2. در مورد مصرف برق معین، هر چه مقاومت حرارتی کمتر باشد، بهتر است و هر چه مقاومت حرارتی کمتر باشد، اتلاف حرارت بهتر است.

خطاهای محاسبه دمای محل اتصال

بسیاری از مردم از این فرمول برای محاسبه دمای اتصال استفاده می کنند: Tj=Ta به علاوه Θja*Pd که در مستندات TI آمده است، اما دقیق نیست.

معنای کلی این است که Θja یک تابع چند متغیره است که نمی تواند وضعیت واقعی تراشه لحیم شده روی PCB را منعکس کند و با طراحی PCB و اندازه تراشه / پد ارتباط قوی دارد. با تغییر این عوامل، مقدار Θja نیز تغییر خواهد کرد. تفاوت زیادی بین تولیدکنندگان تراشه که Θja را آزمایش می کنند و استفاده واقعی ما وجود دارد، بنابراین برای محاسبه دمای اتصال استفاده می شود و خطا بزرگ خواهد بود.

مقاومت حرارتی Θja با این پارامترها همبستگی قوی دارد

در عین حال، استفاده از فرمول Tj=Tc به علاوه Θjc*Pd برای اندازه‌گیری دمای Tc پوسته تراشه با دوربین مادون قرمز، و سپس محاسبه Tj چندان دقیق نیست. Θja و Θjc ارائه شده توسط سازنده ممکن است بیشتر برای ارزیابی عملکرد حرارتی تراشه و مقایسه آن با سایر تراشه ها باشد.

در پارامترهای برخی از تراشه ها، ΨJT و ΨJB وجود خواهد داشت. این دو پارامتر مقاومت حرارتی واقعی نیستند. روشی که سازندگان تراشه برای آزمایش ΨJT و ΨJB استفاده می کنند، بسیار نزدیک به محیط کاربردی دستگاه واقعی است، بنابراین می توان از آن برای تخمین دمای اتصال استفاده کرد. همچنین توسط صنعت پذیرفته شده است و می توان مشاهده کرد که این دو پارامتر کوچکتر از Θja و Θjc هستند، بنابراین در مصرف برق یکسان، دمای اتصال محاسبه شده توسط Θja بالاتر از دمای واقعی است.

ΨJT به Jonction to Top of Package اشاره دارد، پارامتر از اتصال به پوسته بسته، فرمول محاسبه Tj=Tc به علاوه ΨJT*Pd است، Tc دمای پوسته تراشه است. ΨJB، به پارامترهای اتصال به برد، اتصال به برد برد مدار چاپی اشاره دارد، فرمول محاسبه این است: Tj=Tb به علاوه ΨJB*Pd، Tb دمای برد PCB است.

برای محاسبه دمای محل اتصال می توان از ΨJT و ΨJB استفاده کرد

طراحی حرارتی

طراحی حرارتی مانند مشکل EMC است، بهتر است آن را در مراحل اولیه حل کنید، در غیر این صورت اصلاح بعدی بسیار مشکل خواهد بود. در مرحله اولیه طراحی، سازه، چیدمان PCB، چیدمان، دکوراسیون و غیره در نظر گرفته می شود و در مرحله بعد مواد دفع کننده حرارت در نظر گرفته می شود.