مناقشة حول مفاهيم تبديد حرارة الرقاقة وتوليد الحرارة

    تتناول هذه المقالة بشكل أساسي مفاهيم تبديد/تسخين الرقاقة، والمقاومة الحرارية، وارتفاع درجة الحرارة، والتصميم الحراري.

تسخين الرقاقة وفقدانها

من ناحية، يشير فقدان الطاقة للرقاقة إلى الفرق بين طاقة الإدخال الفعالة وطاقة الخرج، وهو ما يسمى الطاقة المتبددة. سيتم تحويل هذا الجزء من الخسارة إلى إطلاق الحرارة. توليد الحرارة ليس بالأمر الجيد، وسوف يقلل من موثوقية المكونات والمعدات. سوف يلحق الضرر بالرقاقة بشكل خطير.

تبديد الطاقة، ستكون هناك هذه المعلمة في مواصفات بعض الرقائق، والتي تشير إلى الحد الأقصى المسموح به لتبديد الطاقة، وتبديد الطاقة والحرارة متطابقان، وكلما زاد تبديد الطاقة المسموح به، ستكون درجة حرارة الوصلة المقابلة أكبر أيضًا.

من ناحية أخرى، يشير استهلاك طاقة الشريحة إلى كمية الطاقة التي تستهلكها المعدات الكهربائية لكل وحدة زمنية، والوحدة W، مثل مكيف الهواء بقدرة 2000 واط وما إلى ذلك.

المقاومة الحرارية وارتفاع درجة الحرارة

كلنا نعرف مقولة: الثلج لا يبرد، والثلج يصبح باردًا. هذه عملية فيزيائية. تساقط الثلوج هو عملية إزالة التسامي والطاردة للحرارة، وذوبان الثلج هو عملية ذوبان وامتصاص الحرارة. إن ارتفاع درجة حرارة الشريحة يتناسب مع درجة الحرارة المحيطة (25 درجة)، لذا لا بد من ذكر مفهوم المقاومة الحرارية.

تشير المقاومة الحرارية إلى النسبة بين فرق درجة الحرارة عند طرفي الجسم وقوة مصدر الحرارة عند انتقال الحرارة على الجسم، والوحدة هي الدرجة /W أو K/W. كما هو موضح في الشكل أدناه، عندما يتم لحام شريحة ما على PCB، هناك ثلاثة مسارات رئيسية لتبديد الحرارة للرقاقة، تتوافق مع ثلاث مقاومات حرارية.

1. المقاومة الحرارية من داخل الشريحة إلى الغلاف والدبابيس – الشريحة ثابتة ولا يمكن تغييرها.

2. المقاومة الحرارية من دبابيس الرقاقة إلى لوحة PCB - يتم تحديدها عن طريق اللحام الجيد ولوحة PCB.

3. المقاومة الحرارية من علبة الشريحة للهواء - يتم تحديدها بواسطة المشتت الحراري والمساحة الطرفية للرقاقة. معلمات المقاومة الحرارية لرقاقة أشباه الموصلات

Ta هي درجة الحرارة المحيطة، Tc هي درجة حرارة سطح العلبة، وTj هي درجة حرارة الوصلة. Θja: المقاومة الحرارية بين درجة حرارة الوصلة (Tj) ودرجة الحرارة المحيطة (Ta). Θjc: المقاومة الحرارية بين درجة حرارة الوصلة (Tj) ودرجة حرارة سطح العلبة (Tc). Θca: المقاومة الحرارية بين درجة حرارة سطح العلبة (Tc) ودرجة الحرارة المحيطة (Ta).

صيغة حساب المقاومة الحرارية هي: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta زائد Θja*Pd حيث Θja*Pd هو ارتفاع درجة الحرارة، والذي يمكن أن يطلق عليه أيضًا القيمة الحرارية .

1. في حالة المقاومة الحرارية الثابتة، كلما كان استهلاك الطاقة أصغر، انخفضت درجة الحرارة.

2. في حالة استهلاك طاقة معين، كلما كانت المقاومة الحرارية أصغر، كلما كان ذلك أفضل، وكلما كانت المقاومة الحرارية أصغر، كان تبديد الحرارة أفضل.

أخطاء حساب درجة حرارة الوصلة

يستخدم العديد من الأشخاص هذه الصيغة لحساب درجة حرارة الوصلة: Tj=Ta plus Θja*Pd، والتي تم ذكرها في وثائق TI، ولكنها ليست دقيقة.

المعنى العام هو أن Θja هي وظيفة متعددة المتغيرات، ولا يمكنها أن تعكس الوضع الحقيقي للرقاقة الملحومة على PCB، ولها ارتباط قوي بتصميم PCB وحجم الشريحة/اللوحة. ومع تغير هذه العوامل، تتغير قيمة Θja أيضًا. هناك فرق كبير بين اختبار الشركات المصنعة للرقائق Θja واستخدامنا الفعلي، لذلك يتم استخدامه لحساب درجة حرارة الوصلة، وسيكون الخطأ كبيرًا.

المقاومة الحرارية Θja لها علاقة قوية بهذه المعلمات

في الوقت نفسه، استخدام الصيغة Tj=Tc plus Θjc*Pd لقياس درجة الحرارة Tc لقذيفة الرقاقة باستخدام كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء، ومن ثم حساب Tj ليس دقيقًا للغاية. قد يكون Θja و Θjc المقدمان من قبل الشركة المصنعة أكثر بالنسبة لنا لتقييم الأداء الحراري للرقاقة ومقارنتها بالرقائق الأخرى.

في معلمات بعض الرقائق، سيكون هناك ΨJT وΨJB. هاتان المعلمتان ليستا مقاومة حرارية حقيقية. الطريقة المستخدمة من قبل الشركات المصنعة للرقائق لاختبار ΨJT وΨJB قريبة جدًا من بيئة التطبيق الخاصة بالجهاز الفعلي، لذا يمكن استخدامها لتقدير درجة حرارة الوصلة. يتم اعتمادها أيضًا من قبل الصناعة، ويمكن ملاحظة أن هاتين المعلمتين أصغر من Θja و Θjc، لذلك في ظل نفس استهلاك الطاقة، تكون درجة حرارة الوصلة المحسوبة بواسطة Θja أعلى من درجة الحرارة الفعلية.

يشير ΨJT إلى الوصلة إلى أعلى الحزمة، والمعلمة من الوصلة إلى غلاف الحزمة، وصيغة الحساب هي Tj=Tc بالإضافة إلى ΨJT*Pd، وTc هي درجة حرارة غلاف الرقاقة. ΨJB، يشير إلى الوصلة إلى اللوحة، والوصلة إلى معلمات لوحة PCB، وصيغة الحساب هي: Tj=Tb plus ΨJB*Pd، Tb هي درجة حرارة لوحة PCB.

يمكن استخدام ΨJT وΨJB لحساب درجة حرارة الوصلة

التصميم الحراري

التصميم الحراري هو نفس مشكلة EMC، فمن الأفضل حلها في مرحلة مبكرة، وإلا فإن التصحيح اللاحق سيكون مزعجًا للغاية. في المرحلة المبكرة من التصميم، يتم أخذ الهيكل وتكديس ثنائي الفينيل متعدد الكلور والتخطيط والديكور وما إلى ذلك في الاعتبار، ويتم أخذ مواد تبديد الحرارة في الاعتبار في المرحلة اللاحقة.