Discussione sui concetti di dissipazione del calore del chip e generazione di calore
Questo articolo tratta principalmente i concetti di dissipazione/riscaldamento del calore del chip, resistenza termica, aumento di temperatura e progettazione termica.
Riscaldamento e perdita di truciolo
La perdita di potenza del chip si riferisce da un lato alla differenza tra la potenza effettiva in ingresso e la potenza in uscita, chiamata potenza dissipata. Questa parte della perdita verrà convertita in rilascio di calore. La generazione di calore non è una buona cosa e ridurrà l’affidabilità di componenti e apparecchiature. Danneggerebbe seriamente il chip.
Potenza di dissipazione, ci sarà questo parametro nelle SPEC di alcuni chip, che si riferisce alla massima dissipazione di potenza consentita, dissipazione di potenza e calore corrispondono, maggiore è la dissipazione di potenza consentita, anche la temperatura di giunzione corrispondente sarà maggiore.
D'altra parte, il consumo energetico del chip si riferisce alla quantità di energia consumata dalle apparecchiature elettriche per unità di tempo e l'unità è W, come un condizionatore d'aria da 2000 W e così via.
Resistenza termica e aumento della temperatura
Conosciamo tutti un detto: la neve non si raffredda e la neve diventa fredda. Questo è un processo fisico. La nevicata è un processo di desublimazione ed esotermia, e lo scioglimento della neve è un processo di scioglimento e assorbimento di calore. L'aumento di temperatura del chip è relativo alla temperatura ambiente (25 gradi), quindi è necessario menzionare il concetto di resistenza termica.
La resistenza termica si riferisce al rapporto tra la differenza di temperatura su entrambe le estremità dell'oggetto e la potenza della fonte di calore quando il calore viene trasmesso sull'oggetto e l'unità è gradi /W o K/W. Come mostrato nella figura seguente, quando un chip viene saldato su un PCB, esistono tre percorsi principali di dissipazione del calore per il chip, corrispondenti a tre resistenze termiche.
1. La resistenza termica dall'interno del chip al guscio e ai perni: il chip è fisso e non può essere modificato.
2. La resistenza termica dai pin del chip alla scheda PCB, determinata da una buona saldatura e dalla scheda PCB.
3. La resistenza termica del contenitore del chip all'aria, determinata dal dissipatore di calore e dallo spazio periferico del chip. Parametri di resistenza termica dei chip semiconduttori
Ta è la temperatura ambiente, Tc è la temperatura superficiale del case e Tj è la temperatura di giunzione. Θja: Resistenza termica tra la temperatura di giunzione (Tj) e la temperatura ambiente (Ta). Θjc: Resistenza termica tra la temperatura di giunzione (Tj) e la temperatura superficiale della custodia (Tc). Θca: Resistenza termica tra la temperatura superficiale della custodia (Tc) e la temperatura ambiente (Ta).
La formula per il calcolo della resistenza termica è: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta più Θja*Pd dove Θja*Pd è l'aumento di temperatura, che può anche essere chiamato potere calorifico .
1. In condizioni di resistenza termica costante, minore è il consumo energetico Pd, minore sarà la temperatura.
2. Nel caso di un certo consumo energetico, minore è la resistenza termica, migliore è, e minore è la resistenza termica, migliore è la dissipazione del calore.
Errori nel calcolo della temperatura di giunzione
Molte persone utilizzano questa formula per calcolare la temperatura di giunzione: Tj=Ta più Θja*Pd, che è indicata nella documentazione di TI, ma non è accurata.
Il significato generale è che Θja è una funzione multivariabile, che non può riflettere la situazione reale del chip saldato sul PCB, e ha una forte correlazione con il design del PCB e la dimensione del Chip/Pad. Al variare di questi fattori, cambierà anche il valore di Θja. C'è una grande differenza tra i produttori di chip che testano Θja e il nostro utilizzo effettivo, quindi viene utilizzato per calcolare la temperatura di giunzione e l'errore sarà ampio.
La resistenza termica Θja ha una forte correlazione con questi parametri
Allo stesso tempo, utilizzare la formula Tj=Tc più Θjc*Pd per misurare la temperatura Tc del guscio del chip con una fotocamera a infrarossi e quindi calcolare Tj non è molto accurato. I valori Θja e Θjc forniti dal produttore potrebbero essere utili per valutare le prestazioni termiche del chip e confrontarlo con altri chip.
Nei parametri di alcuni chip ci saranno ΨJT e ΨJB. Questi due parametri non rappresentano la reale resistenza termica. Il metodo utilizzato dai produttori di chip per testare ΨJT e ΨJB è molto vicino all'ambiente applicativo del dispositivo reale, quindi può essere utilizzato per stimare la temperatura di giunzione. Viene adottato anche dall'industria e si può vedere che questi due parametri sono inferiori a Θja e Θjc, quindi a parità di consumo energetico, la temperatura di giunzione calcolata da Θja è superiore alla temperatura effettiva.
ΨJT si riferisce alla giunzione alla parte superiore del pacchetto, il parametro dalla giunzione al guscio del pacchetto, la formula di calcolo è Tj=Tc più ΨJT*Pd, Tc è la temperatura del guscio del chip. ΨJB, si riferisce ai parametri Giunzione alla scheda, giunzione alla scheda PCB, la formula di calcolo è: Tj=Tb più ΨJB*Pd, Tb è la temperatura della scheda PCB.
ΨJT e ΨJB possono essere utilizzati per calcolare la temperatura di giunzione
Progettazione termica
Il progetto termico è lo stesso del problema EMC, è meglio risolverlo nella fase iniziale, altrimenti la successiva correzione sarà molto problematica. Nella fase iniziale della progettazione vengono presi in considerazione la struttura, l'impilamento del PCB, il layout, la decorazione, ecc., mentre nella fase successiva vengono considerati i materiali per la dissipazione del calore.
