Strahlerauswahl und Anwendungsbasis
Die Wärmedichte der meisten elektronischen Komponenten, insbesondere Mikroprozessoren und Mikrocontroller, hat aufgrund der fortschreitenden Schrumpfung der Größe weiter zugenommen. Angesichts der Tatsache, dass Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Leistung umgekehrt proportional zur Betriebstemperatur des Geräts sind, ist das Ergebnis dieser Entwicklung, dass thermisches Design und Management zu einem wichtigen Designproblem geworden sind. Daher liegt es in der Verantwortung des Designers &, ein klares Verständnis des effektiven Wärmemanagements und der verfügbaren Kühlkörperlösungen zu haben, um die Betriebstemperatur der Geräte innerhalb des vom Lieferanten festgelegten Bereichs zu halten.
Das Funktionsprinzip des Kühlers besteht darin, die Oberfläche des Geräts zu vergrößern, die dem Kühlmittel (Luft) ausgesetzt ist. Wenn der Kühler richtig installiert ist, kann er die Temperatur des Geräts senken, indem er die Wärmeübertragung über die Feststoff-Luft-Grenze an die kühlere Umgebungsluft verbessert.
1. Thermischer Kreislauf
Die Leistung in einem integrierten Schaltkreis (IC) wird in Form von Wärme von der aktiven Transistor-Sperrschicht abgeleitet, und die Temperatur der Sperrschicht ist proportional zur Verlustleistung. Der Hersteller gibt die maximale Sperrschichttemperatur an, diese liegt jedoch im Allgemeinen bei etwa 150°C. Eine Überschreitung dieser Sperrschichttemperatur führt im Allgemeinen zu Schäden am Gerät, daher muss der Entwickler Wege finden, so viel Wärme wie möglich vom IC abzuleiten. Dazu können sie sich auf ein recht einfaches Modell zur Messung des Wärmeflusses verlassen. Dieses Modell ähnelt der elektrischen Berechnung des Ohmschen'schen Gesetzes, basierend auf dem Konzept des thermischen Widerstands, mit dem Symbol θ (Abbildung 1).
in:
θ ist der thermische Widerstand über die thermische Barriere in ℃/W.
∆T ist die Temperaturdifferenz über die thermische Barriere in ℃.
P ist die Verlustleistung des Knotens in Watt.
Vom physikalischen Layout des ICs und des Kühlkörpers her gibt es viele thermische Schnittstellen. Der erste befindet sich zwischen dem Übergang und dem Gehäuse des ICs und wird durch den Wärmewiderstand θjc dargestellt.
Der Kühlkörper wird unter Verwendung von Wärmeleitmaterial (TIM) wie Wärmeleitpaste oder Wärmeband an den IC gebondet, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Geräten zu verbessern. Diese wärmeleitende Schicht hat im Allgemeinen einen sehr geringen Wärmewiderstand, der Teil des Wärmewiderstands von der Schale zum Kühlkörper ist, ausgedrückt durch cs. Die letzte Ebene ist die Schnittstelle zwischen dem Strahler und der Umgebung, die mit θsa bezeichnet wird.
Der thermische Widerstand ist wie Widerstände in elektronischen Schaltungen, die in Reihe geschaltet sind. Die Summe aller Wärmewiderstände ist der gesamte Wärmewiderstand vom Übergang zur Umgebungsluft.
Im Allgemeinen geben IC-Hersteller implizit oder explizit den Wärmewiderstand von Anschluss zu Gehäuse an. Diese Spezifikation kann in Form einer maximalen Gehäusetemperatur bereitgestellt werden, wodurch eines der thermischen Widerstandselemente eliminiert wird. Der Entwickler des Anwendungs-ICs hat keine Kontrolle über die thermischen Widerstandseigenschaften des Übergangs zum Gehäuse. Der Designer kann jedoch die TIM- und Kühlkörperfunktionen auswählen, um den IC vollständig zu kühlen und die Sperrschichttemperatur unter der angegebenen Maximaltemperatur zu halten.Im Allgemeinen gilt: Je kleiner der thermische Widerstand des TIM und des Kühlkörpers ist, desto niedriger ist die Temperatur des zu kühlenden IC's-Gehäuses.
2 Beispiel für die Heizkörperauswahl
Die von Ohmite bereitgestellten Kühlkörper der BG-Serie sind für den Einsatz in Ball Grid Array (BGA) oder Plastic Ball Grid Array (PGBA) Central Processing Unit (CPU), Grafikprozessor (GPU) oder ähnlichen Prozessoren mit einem quadratischen Gehäusesubstrat ausgelegt (Abbildung 2).
Es gibt 10 Arten von Kühlkörperdesigns in dieser Serie mit Substraten, die zu gängigen IC-Konfigurationen passen, mit einer Größe von 15 × 15 Millimeter (mm) bis 45 × 45 mm und Finnenflächen von 2.060 bis 10.893 mm2 (Tabelle 1). Diese RoHS-konformen Kühlkörper bestehen aus einer schwarz eloxierten 6063-T5 Aluminiumlegierung.
Abschließende Bemerkungen
Aus Sicht der Wärmeableitung ist die Wahl eines Radiators relativ einfach. Wie oben erwähnt, bietet der Kühlkörper der Ohmite BG-Serie eine praktikable Lösung für das Kühlproblem von ICs in BGA-Gehäusen.
