การเลือกหม้อน้ำและพื้นฐานการใช้งาน

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งไมโครโปรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์ ยังคงเพิ่มความหนาแน่นทางความร้อนอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการหดตัวอย่างต่อเนื่องของขนาด เนื่องจากอายุขัย ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพเป็นสัดส่วนผกผันกับอุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์ ผลลัพธ์ของวิวัฒนาการนี้คือการออกแบบและการจัดการระบบระบายความร้อนได้กลายเป็นประเด็นสำคัญในการออกแบบ ดังนั้นจึงเป็นความรับผิดชอบของนักออกแบบ' ที่จะต้องเข้าใจอย่างชัดเจนเกี่ยวกับการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพและโซลูชันการระบายความร้อนที่มีอยู่ เพื่อรักษาอุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์ให้อยู่ในช่วงที่กำหนดโดยซัพพลายเออร์

หลักการทำงานของหม้อน้ำคือการเพิ่มพื้นที่ผิวของอุปกรณ์ที่สัมผัสกับน้ำหล่อเย็น (อากาศ) หากหม้อน้ำได้รับการติดตั้งอย่างเหมาะสม ก็สามารถลดอุณหภูมิของอุปกรณ์ได้โดยการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนข้ามขอบเขตอากาศที่เป็นของแข็งไปยังอากาศแวดล้อมที่เย็นกว่า

1. วงจรความร้อน

พลังงานในวงจรรวม (IC) กระจายไปในรูปของความร้อนจากทางแยกทรานซิสเตอร์ที่ทำงานอยู่ และอุณหภูมิของทางแยกจะเป็นสัดส่วนกับกำลังงานที่กระจายไป ผู้ผลิตระบุอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุด แต่โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 150°C อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อนี้โดยทั่วไปจะทำให้อุปกรณ์เสียหาย ดังนั้นผู้ออกแบบจึงต้องหาวิธีถ่ายเทความร้อนจาก IC ให้ได้มากที่สุด ในการทำเช่นนี้ พวกเขาสามารถพึ่งพาแบบจำลองที่ค่อนข้างง่ายในการวัดการไหลของความร้อน โมเดลนี้คล้ายกับการคำนวณทางไฟฟ้าของกฎของโอห์ม' โดยอิงตามแนวคิดเรื่องการต้านทานความร้อน โดยมีสัญลักษณ์ θ (รูปที่ 1)

ใน:

θ คือความต้านทานความร้อนข้ามแผงกั้นความร้อนในหน่วย ℃/W

∆T คือความแตกต่างของอุณหภูมิที่กั้นความร้อนในหน่วย ℃

P คือกำลังงานที่โหนดกระจายไป มีหน่วยเป็นวัตต์

จากรูปแบบทางกายภาพของ IC และแผงระบายความร้อน มีอินเทอร์เฟซในการระบายความร้อนจำนวนมาก อย่างแรกคือระหว่างทางแยกกับเคสของ IC และแสดงด้วยค่าความต้านทานความร้อน θjc

แผ่นระบายความร้อนถูกยึดติดกับ IC โดยใช้วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) เช่น แผ่นแปะระบายความร้อนหรือเทปความร้อนเพื่อเพิ่มการนำความร้อนระหว่างอุปกรณ์ทั้งสอง ชั้นนำความร้อนโดยทั่วไปมีความต้านทานความร้อนต่ำมาก ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของความต้านทานความร้อนจากเปลือกถึงแผงระบายความร้อน แสดงโดย θcs ระดับสุดท้ายคือส่วนต่อประสานระหว่างหม้อน้ำกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ ซึ่งแสดงโดย θsa

ความต้านทานความร้อนเปรียบเสมือนตัวต้านทานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเชื่อมต่อเป็นอนุกรม ผลรวมของความต้านทานความร้อนทั้งหมดคือค่าความต้านทานความร้อนทั้งหมดจากจุดต่อไปยังอากาศแวดล้อม

โดยทั่วไป ผู้จำหน่าย IC จะระบุความต้านทานความร้อนโดยปริยายหรือโดยปริยายจากจุดต่อหนึ่งไปยังอีกเคสหนึ่ง ข้อมูลจำเพาะนี้อาจจัดให้มีในรูปแบบของอุณหภูมิเคสสูงสุด ซึ่งกำจัดหนึ่งในองค์ประกอบต้านทานความร้อน ผู้ออกแบบแอปพลิเคชัน IC ไม่สามารถควบคุมลักษณะการต้านทานความร้อนของทางแยกกับเคสได้ อย่างไรก็ตาม ผู้ออกแบบสามารถเลือกคุณสมบัติของ TIM และฮีตซิงก์เพื่อทำให้ IC เย็นลงได้เต็มที่ และรักษาอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อให้ต่ำกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่กำหนดโดยทั่วไป ยิ่งความต้านทานความร้อนของ TIM และแผงระบายความร้อนมีขนาดเล็กลงเท่าใด อุณหภูมิของเคส IC' จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

2 ตัวอย่างการเลือกหม้อน้ำ

ชุดระบายความร้อน BG ของ Ohmite ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ใน ball grid array (BGA) หรือ plastic ball grid array (PGBA) หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) หน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) หรือโปรเซสเซอร์ที่คล้ายกันกับพื้นผิวบรรจุภัณฑ์สี่เหลี่ยม (รูปที่ 2) ).

ชุดระบายความร้อนมี 10 แบบในซีรีส์นี้ โดยพื้นผิวที่ตรงกับการกำหนดค่า IC ทั่วไป ตั้งแต่ขนาด 15×15 มม. (มม.) ถึง 45×45 มม. และพื้นที่ครีบตั้งแต่ 2,060 ถึง 10,893 มม. 2 (ตารางที่ 1) ฮีตซิงก์ที่เป็นไปตามข้อกำหนด RoHS เหล่านี้ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063-T5 สีดำอะโนไดซ์

สรุปข้อสังเกต

จากมุมมองของการกระจายความร้อน การเลือกหม้อน้ำนั้นค่อนข้างง่าย ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ฮีตซิงก์ Ohmite BG series เป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับปัญหาการระบายความร้อนของไอซีในแพ็คเกจ BGA