Discussão sobre os conceitos de dissipação de calor de chips e geração de calor

    Este artigo discute principalmente os conceitos de dissipação/aquecimento de calor do chip, resistência térmica, aumento de temperatura e design térmico.

Aquecimento e perda de cavacos

A perda de potência do chip, por um lado, refere-se à diferença entre a potência efetiva de entrada e a potência de saída, que é chamada de potência dissipada. Esta parte da perda será convertida em liberação de calor. A geração de calor não é boa e reduzirá a confiabilidade dos componentes e equipamentos. Isso danificará seriamente o chip.

Potência de dissipação, haverá este parâmetro no SPEC de alguns chips, que se refere à dissipação de potência máxima permitida, dissipação de potência e calor são correspondentes, quanto maior a dissipação de potência permitida, a temperatura de junção correspondente também será maior.

Por outro lado, o consumo de energia do chip refere-se à quantidade de energia consumida pelo equipamento elétrico por unidade de tempo, e a unidade é W, como um ar condicionado de 2.000 W e assim por diante.

Resistência térmica e aumento de temperatura

Todos conhecemos um ditado: A neve não esfria e a neve esfria. Este é um processo físico. A queda de neve é ​​um processo de dessublimação e exotérmica, e o derretimento da neve é ​​um processo de derretimento e absorção de calor. O aumento de temperatura do chip é relativo à temperatura ambiente (25 graus), portanto o conceito de resistência térmica deve ser mencionado.

A resistência térmica refere-se à razão entre a diferença de temperatura em ambas as extremidades do objeto e a potência da fonte de calor quando o calor é transmitido ao objeto, e a unidade é grau /W ou K/W. Conforme mostrado na figura abaixo, quando um chip é soldado em uma placa de circuito impresso, existem três caminhos principais de dissipação de calor para o chip, correspondendo a três resistências térmicas.

1. A resistência térmica do interior do chip até o invólucro e os pinos - o chip é fixo e não pode ser alterado.

2. A resistência térmica dos pinos do chip à placa PCB - determinada por uma boa soldagem e placa PCB.

3. A resistência térmica da caixa do chip ao ar - determinada pelo dissipador de calor e pelo espaço periférico do chip. Parâmetros de resistência térmica do chip semicondutor

Ta é a temperatura ambiente, Tc é a temperatura da superfície do caso e Tj é a temperatura da junção. Θja: Resistência térmica entre a temperatura de junção (Tj) e a temperatura ambiente (Ta). Θjc: Resistência térmica entre a temperatura da junção (Tj) e a temperatura da superfície da caixa (Tc). Θca: Resistência térmica entre a temperatura da superfície da caixa (Tc) e a temperatura ambiente (Ta).

A fórmula de cálculo da resistência térmica é: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta mais Θja*Pd onde Θja*Pd é o aumento de temperatura, que também pode ser chamado de poder calorífico .

1. Sob a condição de resistência térmica constante, quanto menor for o consumo de energia Pd, menor será a temperatura.

2. No caso de um determinado consumo de energia, quanto menor for a resistência térmica, melhor, e quanto menor for a resistência térmica, melhor será a dissipação de calor.

Erros de cálculo de temperatura de junção

Muitas pessoas usam esta fórmula para calcular a temperatura da junção: Tj=Ta mais Θja*Pd, que é declarada na documentação da TI, mas não é precisa.

O significado geral é que Θja é uma função multivariável, que não pode refletir a situação real do chip soldado na PCB e tem uma forte correlação com o design da PCB e o tamanho do Chip/Pad. À medida que estes fatores mudam, o valor de Θja também muda. Há uma grande diferença entre os fabricantes de chips que testam Θja e nosso uso real, por isso é usado para calcular a temperatura da junção e o erro será grande.

A resistência térmica Θja tem uma forte correlação com estes parâmetros

Ao mesmo tempo, usar a fórmula Tj=Tc mais Θjc*Pd para medir a temperatura Tc do invólucro do chip com uma câmera infravermelha e, em seguida, calcular Tj não é muito preciso. Os Θja e Θjc fornecidos pelo fabricante podem ser mais para avaliarmos o desempenho térmico do chip e compará-lo com outros chips.

Nos parâmetros de alguns chips, haverá ΨJT e ΨJB. Esses dois parâmetros não são resistência térmica real. O método usado pelos fabricantes de chips para testar ΨJT e ΨJB é muito próximo do ambiente de aplicação do dispositivo real, portanto pode ser usado para estimar a temperatura da junção. Também é adotado pela indústria, e pode-se observar que esses dois parâmetros são menores que Θja e Θjc, portanto, sob o mesmo consumo de energia, a temperatura de junção calculada por Θja é superior à temperatura real.

ΨJT refere-se à junção ao topo do pacote, o parâmetro da junção ao invólucro do pacote, a fórmula de cálculo é Tj=Tc mais ΨJT*Pd, Tc é a temperatura do invólucro do chip. ΨJB, refere-se aos parâmetros de junção à placa, junção à placa PCB, a fórmula de cálculo é: Tj=Tb mais ΨJB*Pd, Tb é a temperatura da placa PCB.

ΨJT e ΨJB podem ser usados ​​para calcular a temperatura da junção

Projeto térmico

O projeto térmico é igual ao problema de EMC, é melhor resolvê-lo no estágio inicial, caso contrário, a retificação posterior será muito problemática. Na fase inicial do projeto, a estrutura, o empilhamento de PCB, o layout, a decoração, etc. são considerados, e os materiais de dissipação de calor são considerados na fase posterior.