چگونه یک هیت سینک انتخاب کنیم؟
با پیشرفت علم و فناوری، اتلاف توان قطعات میکروالکترونیکی در حال افزایش است و اندازه بسته بندی کوچکتر و کوچکتر می شود. بنابراین مدیریت حرارتی در طراحی محصولات الکترونیکی اهمیت بیشتری پیدا می کند.
قابلیت اطمینان و عمر طراحی تجهیزات الکترونیکی با دمای کارکرد نسبت معکوس دارد. از منظر قابلیت اطمینان و دمای عملیاتی یک دستگاه نیمه هادی سیلیکونی معمولی، کاهش دمای کارکرد قابلیت اطمینان و عمر طراحی دستگاه را به طور تصاعدی افزایش می دهد. بنابراین، کنترل موثر دمای کار تجهیزات در محدوده، تضمین عملکرد طولانی مدت پایدار آن است.
هیت سینک وسیله ای است که انتقال حرارت از انتهای گرم به انتهای سرد را افزایش می دهد. به طور کلی، انتهای داغ بالای دستگاه است که گرما تولید می کند و انتهای سرد، هوای محیط به عنوان یک محیط اتلاف گرما است. در بحث زیر فرض می شود که هوا محیط خنک کننده است. در بیشتر موارد، انتقال گرما از سطح جامد به هوا کم کارآمدترین پیوند در کل سیستم انتقال حرارت است و سطح تماس جامد و گاز نیز مکانی با بیشترین مقاومت حرارتی است. هیت سینک با افزایش سطح تماس با محیط خنک کننده، مقاومت حرارتی سطح تماس بخار جامد را کاهش می دهد، که دستگاه را قادر می سازد حرارت بیشتری را منتقل کند یا دمای کارکرد دستگاه را تحت همان افزایش دما کاهش دهد. هدف اصلی استفاده از هیت سینک این است که دمای کارکرد دستگاه کمتر از نشانگر تعیین شده توسط سازنده باشد.
چرخه حرارتی (ترجمه تحت اللفظی این عنوان است، اما در واقع این روش شبکه مقاومت حرارتی است که ما اغلب می گوییم، یا روش شبکه حرارتی/روش شبکه الکتریکی، که از این پس به عنوان روش شبکه مقاومت حرارتی نامیده می شود) قبل از بحث در مورد چگونگی انتخاب یک هیت سینک، برای اینکه خوانندگانی که با هدایت حرارتی آشنایی ندارند، به سرعت موضوع بحث را درک کنند، ابتدا اصطلاحات مربوط به بحث زیر و روش ایجاد شبکه مقاومت حرارتی را توضیح دهند. تعاریف نمادها و اصطلاحات به شرح زیر است:
س: توان کل یا نرخ تولید گرما (باید به عنوان توان اتلاف شده ترجمه شود)، واحد W، نشان دهنده نرخ گرمای تولید شده توسط قطعات الکترونیکی در حین کار است. برای انتخاب یک هیت سینک مناسب معمولا از حداکثر مقدار توان تلف شده استفاده می شود.
Tj: دمای اتصال (معمولاً باید به دمای اتصال اشاره کند و توضیحات در متن اصلی حداکثر دمای اتصال برای عملکرد پایدار دستگاه است) بر حسب درجه سانتی گراد.
حداکثر دمای مجاز محل اتصال از 115 درجه سانتیگراد برای قطعات میکروالکترونیک معمولی تا 180 درجه سانتیگراد برای برخی از دستگاههای کنترل دما خاص متغیر است. در ارتش و برخی مواقع خاص، قطعاتی با دمای عملیاتی 65 تا 80 درجه سانتیگراد به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند. (متن اصلی دمای عملیاتی را نشان نمی دهد، برای اینکه باعث سردرگمی نشود، ترجمه به طور ویژه اصلاح شده است).
Tc: دمای مورد دستگاه، بر حسب درجه سانتیگراد.
از آنجایی که دمای کیس مربوط به نقطه تست انتخاب شده روی پوسته بسته بندی است (دمای سطح بسته بندی قطعات الکترونیکی یکنواخت نیست)، این معمولاً به بالاترین نقطه دما در پوسته بسته اشاره دارد.
Ts: دمای هیت سینک، بر حسب درجه سانتی گراد.
این به بالاترین نقطه دمایی اشاره دارد که سینک حرارتی نزدیک دستگاه (سطح پوسته بسته) است.
Ta: دمای محیط، بر حسب درجه سانتی گراد.
از طریق رابطه بین اختلاف دما (متن اصلی دما است) و سرعت انتقال حرارت (متن اصلی سرعت اتلاف گرما است)، راندمان انتقال حرارت بین دو موقعیت از یک ساختار حرارتی را می توان به صورت کمی بیان کرد. مقاومت حرارتی R. تعریف مقاومت R به شرح زیر است:
R=ΔT/Q که در آن ΔT اختلاف دما بین دو موقعیت است. واحد مقاومت حرارتی درجه سانتی گراد/وات است که نشان دهنده اختلاف دما در هنگام انتقال یک واحد حرارت است. تعریف مقاومت حرارتی تا حدودی شبیه به مقاومت Re است که توسط قانون اهم'؛ Re=ΔV/I تعریف شده است. جایی که ΔV اختلاف پتانسیل و I جریان است.
