การอภิปรายเกี่ยวกับแนวคิดการกระจายความร้อนของชิปและการสร้างความร้อน

    บทความนี้จะกล่าวถึงแนวคิดเกี่ยวกับการกระจายความร้อน/การให้ความร้อนของชิป การต้านทานความร้อน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และการออกแบบการระบายความร้อนเป็นหลัก

ความร้อนและการสูญเสียของชิป

การสูญเสียพลังงานของชิปในด้านหนึ่งหมายถึงความแตกต่างระหว่างกำลังไฟฟ้าขาเข้าที่มีประสิทธิภาพและกำลังไฟฟ้าขาออก ซึ่งเรียกว่าพลังงานกระจาย การสูญเสียส่วนนี้จะถูกแปลงเป็นการระบายความร้อน การสร้างความร้อนไม่ใช่สิ่งที่ดี และจะลดความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบและอุปกรณ์ จะทำให้ชิปเสียหายอย่างรุนแรง

กำลังการกระจาย จะมีพารามิเตอร์นี้ใน SPEC ของชิปบางตัว ซึ่งหมายถึงการกระจายพลังงานสูงสุดที่อนุญาต การกระจายพลังงาน และความร้อนที่สอดคล้องกัน ยิ่งการกระจายพลังงานที่อนุญาตมากขึ้น อุณหภูมิทางแยกที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นด้วย

ในทางกลับกัน การใช้พลังงานของชิปหมายถึงปริมาณพลังงานที่ใช้โดยอุปกรณ์ไฟฟ้าต่อหน่วยเวลา และมีหน่วยเป็น W เช่น เครื่องปรับอากาศขนาด 2000W เป็นต้น

ความต้านทานความร้อนและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

เราทุกคนรู้จักสุภาษิตที่ว่า หิมะไม่เย็น และหิมะกลับหนาว นี่เป็นกระบวนการทางกายภาพ หิมะตกเป็นกระบวนการลดระเหิดและคายความร้อน ส่วนหิมะที่ละลายเป็นกระบวนการละลายและดูดซับความร้อน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของชิปสัมพันธ์กับอุณหภูมิโดยรอบ (25 องศา) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องกล่าวถึงแนวคิดเรื่องการต้านทานความร้อน

ความต้านทานความร้อนหมายถึงอัตราส่วนระหว่างความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองของวัตถุกับกำลังของแหล่งความร้อนเมื่อความร้อนถูกส่งผ่านวัตถุ โดยมีหน่วยเป็น องศา /W หรือ K/W ดังแสดงในรูปด้านล่าง เมื่อชิปถูกบัดกรีบน PCB จะมีเส้นทางการกระจายความร้อนหลักสามเส้นทางสำหรับชิป ซึ่งสอดคล้องกับความต้านทานความร้อนสามค่า

1. ความต้านทานความร้อนจากด้านในของชิปถึงเปลือกและหมุด - ชิปได้รับการแก้ไขและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้

2. ความต้านทานความร้อนจากหมุดชิปถึงบอร์ด PCB - พิจารณาจากการบัดกรีที่ดีและบอร์ด PCB

3. ความต้านทานความร้อนจากเคสชิปสู่อากาศ - กำหนดโดยตัวระบายความร้อนและพื้นที่ต่อพ่วงของชิป พารามิเตอร์ความต้านทานความร้อนของชิปเซมิคอนดักเตอร์

Ta คืออุณหภูมิโดยรอบ Tc คืออุณหภูมิพื้นผิวเคส และ Tj คืออุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ Θja: ความต้านทานความร้อนระหว่างอุณหภูมิทางแยก (Tj) และอุณหภูมิแวดล้อม (Ta) Θjc: ความต้านทานความร้อนระหว่างอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ (Tj) และอุณหภูมิพื้นผิวตัวเรือน (Tc) Θca: ความต้านทานความร้อนระหว่างอุณหภูมิพื้นผิวตัวเรือน (Tc) และอุณหภูมิแวดล้อม (Ta)

สูตรการคำนวณความต้านทานความร้อนคือ: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta บวก Θja*Pd โดยที่ Θja*Pd คืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ซึ่งสามารถเรียกว่าค่าความร้อนได้เช่นกัน .

1. ภายใต้สภาวะความต้านทานความร้อนคงที่ ยิ่ง Pd ใช้พลังงานน้อย อุณหภูมิก็จะยิ่งต่ำลง

2. ในกรณีที่มีการใช้พลังงานบางอย่าง ยิ่งความต้านทานความร้อนน้อยลงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น และยิ่งต้านทานความร้อนน้อยลงเท่าใด การกระจายความร้อนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

ข้อผิดพลาดในการคำนวณอุณหภูมิทางแยก

หลายๆ คนใช้สูตรนี้ในการคำนวณอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ: Tj=Ta plus Θja*Pd ซึ่งระบุไว้ในเอกสารประกอบของ TI แต่ไม่ถูกต้อง

ความหมายทั่วไปคือ Θja เป็นฟังก์ชันหลายตัวแปร ซึ่งไม่สามารถสะท้อนสถานการณ์จริงของชิปที่บัดกรีบน PCB ได้ และมีความสัมพันธ์อย่างมากกับการออกแบบ PCB และขนาดของชิป/แพด เมื่อปัจจัยเหล่านี้เปลี่ยนแปลง ค่าของ Θja ก็จะเปลี่ยนไปด้วย มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างผู้ผลิตชิปที่ทดสอบ Θja และการใช้งานจริงของเรา ดังนั้นจึงใช้ในการคำนวณอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ และข้อผิดพลาดจะมีขนาดใหญ่

ความต้านทานความร้อน Θja มีความสัมพันธ์อย่างมากกับพารามิเตอร์เหล่านี้

ในเวลาเดียวกัน การใช้สูตร Tj=Tc บวก Θjc*Pd เพื่อวัดอุณหภูมิ Tc ของเปลือกชิปด้วยกล้องอินฟราเรด จากนั้นการคำนวณ Tj ก็ไม่ค่อยแม่นยำนัก Θja และ Θjc ที่ผู้ผลิตมอบให้อาจเป็นค่าที่มากกว่าสำหรับเราในการประเมินประสิทธิภาพการระบายความร้อนของชิปและเปรียบเทียบกับชิปอื่นๆ

ในพารามิเตอร์ของชิปบางตัวจะมี ΨJT และ ΨJB พารามิเตอร์ทั้งสองนี้ไม่ใช่ความต้านทานความร้อนที่แท้จริง วิธีที่ผู้ผลิตชิปใช้ในการทดสอบ ΨJT และ ΨJB นั้นใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมการใช้งานของอุปกรณ์จริงมาก ดังนั้นจึงสามารถใช้เพื่อประมาณอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อได้ อุตสาหกรรมยังนำไปใช้อีกด้วย และจะเห็นได้ว่าพารามิเตอร์ทั้งสองนี้มีขนาดเล็กกว่า Θja และ Θjc ดังนั้น ภายใต้การใช้พลังงานเท่ากัน อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อที่คำนวณโดย Θja จะสูงกว่าอุณหภูมิจริง

ΨJT หมายถึง จุดเชื่อมต่อถึงด้านบนของบรรจุภัณฑ์ พารามิเตอร์จากจุดเชื่อมต่อถึงเปลือกบรรจุภัณฑ์ สูตรการคำนวณคือ Tj=Tc บวก ΨJT*Pd, Tc คืออุณหภูมิของเปลือกชิป ΨJB หมายถึง ทางแยกไปยังบอร์ด, ทางแยกไปยังพารามิเตอร์บอร์ด PCB สูตรการคำนวณคือ: Tj=Tb บวก ΨJB*Pd, Tb คืออุณหภูมิของบอร์ด PCB

ΨJT และ ΨJB สามารถใช้คำนวณอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อได้

การออกแบบระบายความร้อน

การออกแบบการระบายความร้อนเหมือนกับปัญหา EMC วิธีที่ดีที่สุดคือแก้ไขในระยะแรก มิฉะนั้น การแก้ไขในภายหลังจะยุ่งยากมาก ในระยะแรกของการออกแบบ จะพิจารณาโครงสร้าง การซ้อน PCB เค้าโครง การตกแต่ง ฯลฯ และพิจารณาวัสดุกระจายความร้อนในระยะหลัง