Talaş ısı yayılımı ve ısı üretimi kavramları üzerine tartışma
Bu makale temel olarak çip ısı dağıtımı/ısıtma, termal direnç, sıcaklık artışı ve termal tasarım kavramlarını tartışmaktadır.
Talaş ısınması ve kaybı
Çipin güç kaybı bir yandan etkin giriş gücü ile çıkış gücü arasındaki farkı ifade eder ve buna harcanan güç adı verilir. Kaybın bu kısmı ısı salınımına dönüştürülecektir. Isı üretimi iyi bir şey değildir ve bileşenlerin ve ekipmanların güvenilirliğini azaltacaktır. Çipe ciddi zarar verecektir.
Dağılım gücü, bazı çiplerin SPEC'inde izin verilen maksimum güç dağılımını ifade eden bu parametre olacaktır, güç dağılımı ve ısı karşılık gelir, izin verilen güç dağılımı ne kadar büyük olursa, karşılık gelen bağlantı sıcaklığı da o kadar büyük olur.
Öte yandan çip güç tüketimi, elektrikli ekipmanların birim zamanda tükettiği enerji miktarını ifade eder ve birimi W olup, örneğin 2000W'lık bir klima vb.
Isıl Direnç ve Sıcaklık Artışı
Hepimizin bildiği bir söz vardır: Kar soğutmaz, kar soğur. Bu fiziksel bir süreçtir. Kar yağışı bir desüblimleşme ve ekzoterm sürecidir ve karın erimesi, ısının erimesi ve emilmesi sürecidir. Çipin sıcaklık artışı ortam sıcaklığına (25 derece) bağlıdır, dolayısıyla termal direnç kavramından bahsetmek gerekir.
Isıl direnç, nesnenin her iki ucundaki sıcaklık farkının, nesne üzerine ısı iletildiğinde ısı kaynağının gücüne oranı anlamına gelir ve birimi derece /W veya K/W'dir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bir çip PCB üzerine lehimlendiğinde, çip için üç termal dirence karşılık gelen üç ana ısı dağıtım yolu vardır.
1. Çipin içinden kabuğa ve pimlere kadar olan termal direnç - çip sabittir ve değiştirilemez.
2. Çip pinlerinden PCB kartına kadar olan termal direnç - iyi lehimleme ve PCB kartı ile belirlenir.
3. Yonga kutusundan havaya olan termal direnç; soğutucu ve yonganın çevresel alanı tarafından belirlenir. Yarı iletken çip termal direnç parametreleri
Ta ortam sıcaklığı, Tc kasa yüzey sıcaklığı ve Tj bağlantı sıcaklığıdır. Θja: Bağlantı sıcaklığı (Tj) ile ortam sıcaklığı (Ta) arasındaki termal direnç. Θjc: Bağlantı sıcaklığı (Tj) ile kasa yüzey sıcaklığı (Tc) arasındaki termal direnç. Θca: Kasa yüzey sıcaklığı (Tc) ile ortam sıcaklığı (Ta) arasındaki termal direnç.
Isıl direncin hesaplama formülü şöyledir: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta artı Θja*Pd burada Θja*Pd sıcaklık artışıdır ve buna kalorifik değer olarak da adlandırılabilir .
1. Sabit termal direnç durumunda, Pd güç tüketimi ne kadar küçük olursa sıcaklık da o kadar düşük olur.
2. Belirli bir güç tüketimi durumunda, termal direnç ne kadar küçük olursa, o kadar iyi olur ve termal direnç ne kadar küçük olursa, ısı dağılımı da o kadar iyi olur.
Bağlantı sıcaklığı hesaplama hataları
Birçok kişi bağlantı sıcaklığını hesaplamak için şu formülü kullanır: TI belgelerinde belirtilen Tj=Ta artı Θja*Pd, ancak doğru değildir.
Genel anlamı, Θja'nın PCB üzerinde lehimlenen çipin gerçek durumunu yansıtamayan çok değişkenli bir fonksiyon olduğu ve PCB'nin tasarımı ve Chip/Pad'in boyutu ile güçlü bir korelasyona sahip olduğudur. Bu faktörler değiştikçe Θja değeri de değişecektir. Θja'yı test eden çip üreticileri ile gerçek kullanımımız arasında büyük bir fark vardır, bu nedenle bağlantı sıcaklığını hesaplamak için kullanılır ve hata büyük olacaktır.
Termal direnç Θja bu parametrelerle güçlü bir korelasyona sahiptir
Aynı zamanda, kızılötesi kamerayla çip kabuğunun Tc sıcaklığını ölçmek için Tj=Tc artı Θjc*Pd formülünü kullanmak ve ardından Tj'yi hesaplamak çok doğru değildir. Üreticinin verdiği Θja ve Θjc, çipin termal performansını değerlendirmek ve diğer çiplerle karşılaştırmak açısından bizim için daha fazla olabilir.
Bazı çiplerin parametrelerinde ΨJT ve ΨJB olacaktır. Bu iki parametre gerçek termal direnç değildir. Çip üreticileri tarafından ΨJT ve ΨJB'yi test etmek için kullanılan yöntem, gerçek cihazın uygulama ortamına çok yakındır, dolayısıyla bağlantı sıcaklığını tahmin etmek için kullanılabilir. Endüstri tarafından da benimsenmiştir ve bu iki parametrenin Θja ve Θjc'den daha küçük olduğu görülebilir, dolayısıyla aynı güç tüketimi altında Θja tarafından hesaplanan bağlantı sıcaklığı gerçek sıcaklıktan daha yüksektir.
ΨJT, Paketin Tepesine Bağlantı anlamına gelir, bağlantı noktasından paket kabuğuna kadar olan parametredir, hesaplama formülü Tj=Tc artı ΨJT*Pd'dir, Tc çip kabuk sıcaklığıdır. ΨJB, Kartla Bağlantı, PCB kartıyla bağlantı parametrelerini ifade eder, hesaplama formülü şu şekildedir: Tj=Tb artı ΨJB*Pd, Tb PCB kartının sıcaklığıdır.
ΨJT ve ΨJB bağlantı sıcaklığını hesaplamak için kullanılabilir
Termal tasarım
Termal tasarım EMC problemiyle aynıdır, erken aşamada çözmek en iyisidir, aksi takdirde daha sonra düzeltme çok zahmetli olacaktır. Tasarımın erken aşamasında yapı, PCB istifleme, düzen, dekorasyon vb. dikkate alınır ve daha sonraki aşamada ısı dağıtma malzemeleri dikkate alınır.
