Diskussion über die Konzepte der Chip-Wärmeableitung und Wärmeerzeugung

    In diesem Artikel werden hauptsächlich die Konzepte der Chip-Wärmeableitung/-erwärmung, des Wärmewiderstands, des Temperaturanstiegs und des thermischen Designs erörtert.

Chip-Erwärmung und -Verlust

Die Verlustleistung des Chips bezeichnet einerseits die Differenz zwischen der effektiven Eingangsleistung und der Ausgangsleistung, die Verlustleistung genannt wird. Dieser Teil des Verlustes wird in Wärmefreisetzung umgewandelt. Wärmeentwicklung ist keine gute Sache und verringert die Zuverlässigkeit von Komponenten und Geräten. Der Chip wird dadurch ernsthaft beschädigt.

Verlustleistung, es gibt diesen Parameter in den SPEC einiger Chips, der sich auf die maximal zulässige Verlustleistung bezieht, Verlustleistung und Wärme korrespondieren, je größer die zulässige Verlustleistung ist, desto höher ist auch die entsprechende Sperrschichttemperatur.

Andererseits bezieht sich der Chip-Stromverbrauch auf die Energiemenge, die elektrische Geräte pro Zeiteinheit verbrauchen, und die Einheit ist W, beispielsweise eine Klimaanlage mit 2000 W und so weiter.

Wärmewiderstand und Temperaturanstieg

Wir alle kennen ein Sprichwort: Schnee kühlt nicht und Schnee wird kalt. Dies ist ein physikalischer Vorgang. Schneefall ist ein Prozess der Desublimation und Exotherme, und schmelzender Schnee ist ein Prozess des Schmelzens und der Wärmeaufnahme. Der Temperaturanstieg des Chips ist relativ zur Umgebungstemperatur (25 Grad), daher muss das Konzept des thermischen Widerstands erwähnt werden.

Der Wärmewiderstand bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der Temperaturdifferenz an beiden Enden des Objekts und der Leistung der Wärmequelle, wenn Wärme auf das Objekt übertragen wird. Die Einheit ist Grad/W oder K/W. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, gibt es beim Auflöten eines Chips auf eine Leiterplatte drei Hauptwärmeableitungspfade für den Chip, die drei Wärmewiderständen entsprechen.

1. Der Wärmewiderstand von der Innenseite des Chips bis zum Gehäuse und den Stiften – der Chip ist fest und kann nicht verändert werden.

2. Der thermische Widerstand von den Chip-Pins zur Leiterplatte – bestimmt durch gute Lötung und gute Leiterplatte.

3. Der Wärmewiderstand vom Chipgehäuse zur Luft – bestimmt durch den Kühlkörper und den Randraum des Chips. Wärmewiderstandsparameter von Halbleiterchips

Ta ist die Umgebungstemperatur, Tc ist die Gehäuseoberflächentemperatur und Tj ist die Sperrschichttemperatur. Θja: Wärmewiderstand zwischen Sperrschichttemperatur (Tj) und Umgebungstemperatur (Ta). Θjc: Wärmewiderstand zwischen Sperrschichttemperatur (Tj) und Gehäuseoberflächentemperatur (Tc). Θca: Wärmewiderstand zwischen Gehäuseoberflächentemperatur (Tc) und Umgebungstemperatur (Ta).

Die Berechnungsformel des Wärmewiderstands lautet: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta plus Θja*Pd, wobei Θja*Pd der Temperaturanstieg ist, der auch als Heizwert bezeichnet werden kann .

1. Unter der Bedingung eines konstanten Wärmewiderstands ist die Temperatur umso niedriger, je kleiner der Stromverbrauch Pd ist.

2. Bei einem bestimmten Stromverbrauch gilt: Je kleiner der Wärmewiderstand, desto besser und je kleiner der Wärmewiderstand, desto besser die Wärmeableitung.

Fehler bei der Berechnung der Sperrschichttemperatur

Viele Leute verwenden diese Formel zur Berechnung der Sperrschichttemperatur: Tj=Ta plus Θja*Pd, die in der Dokumentation von TI angegeben ist, aber nicht korrekt ist.

Die allgemeine Bedeutung ist, dass Θja eine Funktion mit mehreren Variablen ist, die nicht die tatsächliche Situation des auf der Leiterplatte gelöteten Chips widerspiegeln kann und eine starke Korrelation mit dem Design der Leiterplatte und der Größe des Chips/Pads aufweist. Wenn sich diese Faktoren ändern, ändert sich auch der Wert von Θja. Es gibt einen großen Unterschied zwischen den Tests von Θja durch Chiphersteller und unserer tatsächlichen Verwendung. Daher wird es zur Berechnung der Sperrschichttemperatur verwendet, und der Fehler ist groß.

Der Wärmewiderstand Θja steht in starkem Zusammenhang mit diesen Parametern

Gleichzeitig ist die Verwendung der Formel Tj=Tc plus Θjc*Pd zur Messung der Temperatur Tc der Chiphülle mit einer Infrarotkamera und die anschließende Berechnung von Tj nicht sehr genau. Die vom Hersteller angegebenen Θja und Θjc dienen uns möglicherweise eher dazu, die thermische Leistung des Chips zu bewerten und ihn mit anderen Chips zu vergleichen.

In den Parametern einiger Chips gibt es ΨJT und ΨJB. Diese beiden Parameter sind kein echter Wärmewiderstand. Die von Chipherstellern zum Testen von ΨJT und ΨJB verwendete Methode kommt der Anwendungsumgebung des tatsächlichen Geräts sehr nahe und kann daher zur Schätzung der Sperrschichttemperatur verwendet werden. Es wird auch von der Industrie übernommen, und es ist ersichtlich, dass diese beiden Parameter kleiner als Θja und Θjc sind, sodass bei gleichem Stromverbrauch die von Θja berechnete Sperrschichttemperatur höher ist als die tatsächliche Temperatur.

ΨJT bezieht sich auf den Übergang zur Oberseite des Gehäuses, den Parameter vom Übergang zum Gehäusemantel. Die Berechnungsformel lautet Tj=Tc plus ΨJT*Pd, Tc ist die Temperatur des Chipmantels. ΨJB bezieht sich auf die Parameter „Junction to Board“, „Junction to PCB“, die Berechnungsformel lautet: Tj=Tb plus ΨJB*Pd, Tb ist die Temperatur der Leiterplatte.

ΨJT und ΨJB können zur Berechnung der Sperrschichttemperatur verwendet werden

Thermisches Design

Das thermische Design ist dasselbe wie das EMV-Problem. Es ist am besten, es in einem frühen Stadium zu lösen, da sonst die spätere Behebung sehr mühsam sein wird. In der frühen Phase des Entwurfs werden Struktur, Leiterplattenstapelung, Layout, Dekoration usw. berücksichtigt, und in der späteren Phase werden die Materialien zur Wärmeableitung berücksichtigt.