Diskusia o konceptoch odvodu tepla čipom a tvorby tepla
Tento článok sa zaoberá hlavne konceptmi odvodu/ohrievania čipu, tepelného odporu, nárastu teploty a tepelného dizajnu.
Zahrievanie a strata čipu
Strata výkonu čipu sa na jednej strane vzťahuje na rozdiel medzi efektívnym vstupným výkonom a výstupným výkonom, ktorý sa nazýva rozptýlený výkon. Táto časť straty sa premení na uvoľnenie tepla. Vytváranie tepla nie je dobrá vec a znižuje spoľahlivosť komponentov a zariadení. Vážne to poškodí čip.
Stratový výkon, bude tento parameter v SPEC niektorých čipov, ktorý sa vzťahuje na maximálny povolený stratový výkon, stratový výkon a teplo zodpovedajú, čím väčší je povolený stratový výkon, tým väčšia bude aj zodpovedajúca teplota prechodu.
Na druhej strane spotreba energie čipu sa týka množstva energie spotrebovanej elektrickým zariadením za jednotku času a jednotka je W, ako napríklad klimatizácia s výkonom 2 000 W atď.
Tepelný odpor a nárast teploty
Všetci poznáme príslovie: Sneh sa neochladzuje a sneh chladne. Toto je fyzikálny proces. Sneženie je proces desublimácie a exotermie a topenie snehu je proces topenia a pohlcovania tepla. Nárast teploty čipu je relatívny vzhľadom na okolitú teplotu (25 stupňov), preto je potrebné spomenúť pojem tepelný odpor.
Tepelný odpor označuje pomer medzi teplotným rozdielom na oboch koncoch objektu a výkonom zdroja tepla pri prenose tepla na objekt a jednotkou je stupeň /W alebo K/W. Ako je znázornené na obrázku nižšie, keď je čip prispájkovaný na doske plošných spojov, existujú tri hlavné cesty odvádzania tepla pre čip, ktoré zodpovedajú trom tepelným odporom.
1. Tepelný odpor z vnútornej strany čipu k plášťu a kolíkom - čip je pevný a nedá sa meniť.
2. Tepelný odpor od kolíkov čipu k doske PCB - určený dobrým spájkovaním a doskou PCB.
3. Tepelný odpor od puzdra čipu voči vzduchu – určený chladičom a obvodovým priestorom čipu. Parametre tepelného odporu polovodičového čipu
Ta je teplota okolia, Tc je povrchová teplota puzdra a Tj je teplota spoja. Θja: Tepelný odpor medzi teplotou prechodu (Tj) a teplotou okolia (Ta). Θjc: Tepelný odpor medzi teplotou spoja (Tj) a teplotou povrchu puzdra (Tc). Θca: Tepelný odpor medzi teplotou povrchu puzdra (Tc) a teplotou okolia (Ta).
Výpočtový vzorec tepelného odporu je: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta plus Θja*Pd kde Θja*Pd je nárast teploty, ktorý možno nazvať aj výhrevnosťou .
1. V podmienkach konštantného tepelného odporu platí, že čím menšia je spotreba energie Pd, tým nižšia bude teplota.
2. V prípade určitého príkonu platí, že čím menší tepelný odpor, tým lepšie a čím menší tepelný odpor, tým lepší odvod tepla.
Chyby výpočtu teploty križovatky
Mnoho ľudí používa na výpočet teploty spoja tento vzorec: Tj=Ta plus Θja*Pd, ktorý je uvedený v dokumentácii TI, ale nie je presný.
Všeobecný význam je, že Θja je funkcia s viacerými premennými, ktorá nemôže odrážať skutočnú situáciu čipu spájkovaného na DPS a má silnú koreláciu s dizajnom DPS a veľkosťou čipu/podložky. So zmenou týchto faktorov sa zmení aj hodnota Θja. Existuje veľký rozdiel medzi výrobcami čipov, ktorí testujú Θja a naším skutočným použitím, takže sa používa na výpočet teploty spoja a chyba bude veľká.
Tepelný odpor Θja má silnú koreláciu s týmito parametrami
Zároveň použitie vzorca Tj=Tc plus Θjc*Pd na meranie teploty Tc plášťa čipu pomocou infračervenej kamery a následný výpočet Tj nie je veľmi presný. Θja a Θjc udávané výrobcom nám môžu skôr poslúžiť na vyhodnotenie tepelného výkonu čipu a porovnanie s inými čipmi.
V parametroch niektorých čipov budú ΨJT a ΨJB. Tieto dva parametre nie sú skutočným tepelným odporom. Metóda, ktorú používajú výrobcovia čipov na testovanie ΨJT a ΨJB, je veľmi blízka aplikačnému prostrediu skutočného zariadenia, takže ju možno použiť na odhad teploty prechodu. Prijíma ho aj priemysel a je možné vidieť, že tieto dva parametre sú menšie ako Θja a Θjc, takže pri rovnakej spotrebe energie je teplota spoja vypočítaná pomocou Θja vyššia ako skutočná teplota .
ΨJT odkazuje na Junction to Top of Package, parameter od spoja k obalu obalu, vzorec výpočtu je Tj=Tc plus ΨJT*Pd, Tc je teplota obalu čipu. ΨJB, odkazuje na parametre spojenia s doskou, spojenie s doskou plošných spojov, vzorec pre výpočet je: Tj=Tb plus ΨJB*Pd, Tb je teplota dosky plošných spojov.
ΨJT a ΨJB možno použiť na výpočet teploty spoja
Tepelný dizajn
Tepelný návrh je rovnaký ako problém EMC, najlepšie je vyriešiť ho v počiatočnom štádiu, inak bude neskoršia náprava veľmi problematická. V počiatočnom štádiu návrhu sa zvažuje štruktúra, stohovanie DPS, rozloženie, dekorácia atď. a materiály na odvod tepla sa zvažujú v neskoršej fáze.
