Обсуждение концепций теплоотвода и тепловыделения чипов.

    В этой статье в основном обсуждаются концепции рассеивания/нагревания чипа, термического сопротивления, повышения температуры и теплового проектирования.

Нагрев и потери чипа

Потери мощности чипа, с одной стороны, относятся к разнице между эффективной входной мощностью и выходной мощностью, которая называется рассеиваемой мощностью. Эта часть потерь будет преобразована в тепловыделение. Выделение тепла – это нехорошо, поскольку оно снижает надежность компонентов и оборудования. Это серьезно повредит чип.

Мощность рассеяния. Этот параметр присутствует в технических характеристиках некоторых чипов и относится к максимально допустимой рассеиваемой мощности. Рассеиваемая мощность и тепло соответствуют друг другу. Чем больше допустимая рассеиваемая мощность, тем выше будет и соответствующая температура перехода.

С другой стороны, потребляемая мощность чипа относится к количеству энергии, потребляемой электрооборудованием в единицу времени, и измеряется в Вт, например, кондиционер мощностью 2000 Вт и так далее.

Термическое сопротивление и повышение температуры

Все мы знаем поговорку: снег не остывает, а снег становится холодным. Это физический процесс. Снегопад – это процесс десублимации и экзотермии, а таяние снега – это процесс таяния и поглощения тепла. Повышение температуры чипа зависит от температуры окружающей среды (25 градусов), поэтому необходимо упомянуть концепцию термического сопротивления.

Термическое сопротивление представляет собой соотношение между разницей температур на обоих концах объекта и мощностью источника тепла при передаче тепла на объект, а единицей измерения является градус/Вт или К/Вт. Как показано на рисунке ниже, когда чип припаян на печатную плату, существует три основных пути отвода тепла от чипа, что соответствует трем тепловым сопротивлениям.

1. Термическое сопротивление внутренней части микросхемы корпусу и выводам - ​​микросхема фиксирована и изменению не подлежит.

2. Термическое сопротивление контактов микросхемы и печатной платы – определяется хорошей пайкой и печатной платой.

3. Тепловое сопротивление корпуса микросхемы воздуху - определяется радиатором и периферийным пространством микросхемы. Параметры термического сопротивления полупроводникового чипа

Ta — температура окружающей среды, Tc — температура поверхности корпуса, Tj — температура перехода. Θja: Термическое сопротивление между температурой перехода (Tj) и температурой окружающей среды (Ta). Θjc: Термическое сопротивление между температурой перехода (Tj) и температурой поверхности корпуса (Tc). Θca: Термическое сопротивление между температурой поверхности корпуса (Tc) и температурой окружающей среды (Ta).

Формула расчета теплового сопротивления: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta плюс Θja*Pd, где Θja*Pd — превышение температуры, которое также можно назвать теплотворной способностью. .

1. При условии постоянного теплового сопротивления, чем меньше потребляемая мощность Pd, тем ниже будет температура.

2. При определенном энергопотреблении чем меньше тепловое сопротивление, тем лучше, а чем меньше тепловое сопротивление, тем лучше рассеивание тепла.

Ошибки расчета температуры перехода

Многие используют эту формулу для расчета температуры перехода: Tj=Ta плюс Θja*Pd, которая указана в документации TI, но она неточна.

Общий смысл заключается в том, что Θja — это функция с несколькими переменными, которая не может отражать реальную ситуацию с микросхемой, припаянной на печатной плате, и имеет сильную корреляцию с конструкцией печатной платы и размером чипа/площадки. По мере изменения этих факторов будет меняться и значение Θja. Существует большая разница между тестированием Θja производителями микросхем и нашим фактическим использованием, поэтому она используется для расчета температуры перехода, и ошибка будет большой.

Термическое сопротивление Θja имеет сильную корреляцию с этими параметрами.

В то же время использовать формулу Tj=Tc плюс Θjc*Pd для измерения температуры Tc оболочки чипа с помощью инфракрасной камеры, а затем вычислять Tj не очень точно. Значения Θja и Θjc, указанные производителем, могут быть более полезными для нас, чтобы оценить тепловые характеристики чипа и сравнить его с другими чипами.

В параметрах некоторых чипов будут ΨJT и ΨJB. Эти два параметра не являются реальным термическим сопротивлением. Метод, используемый производителями микросхем для тестирования ΨJT и ΨJB, очень близок к условиям применения реального устройства, поэтому его можно использовать для оценки температуры перехода. Он также принят в промышленности, и видно, что эти два параметра меньше, чем Θja и Θjc, поэтому при одинаковом энергопотреблении температура перехода, рассчитанная по Θja, выше фактической температуры.

ΨJT относится к соединению с верхом корпуса, параметру от перехода к корпусу корпуса, формула расчета: Tj=Tc плюс ΨJT*Pd, Tc — температура корпуса чипа. ΨJB относится к параметрам перехода к плате, переходу к печатной плате, формула расчета: Tj=Tb плюс ΨJB*Pd, Tb — температура печатной платы.

ΨJT и ΨJB можно использовать для расчета температуры перехода.

Тепловой расчет

Тепловой расчет такой же, как и проблема ЭМС, лучше всего решить ее на ранней стадии, иначе последующее устранение будет очень хлопотным. На ранней стадии проектирования учитываются структура, укладка печатных плат, расположение, отделка и т. д., а на более позднем этапе рассматриваются материалы для отвода тепла.