Thảo luận về khái niệm tản nhiệt và sinh nhiệt của chip

    Bài viết này chủ yếu thảo luận về các khái niệm về tản nhiệt/làm nóng chip, khả năng chịu nhiệt, tăng nhiệt độ và thiết kế nhiệt.

Làm nóng và mất chip

Một mặt, sự mất điện của chip đề cập đến sự khác biệt giữa công suất đầu vào hiệu quả và công suất đầu ra, được gọi là công suất tiêu tán. Phần tổn thất này sẽ được chuyển thành nhiệt lượng tỏa ra. Sinh nhiệt không phải là điều tốt và nó sẽ làm giảm độ tin cậy của các bộ phận và thiết bị. Nó sẽ làm hỏng chip nghiêm trọng.

Công suất tiêu tán, sẽ có thông số này trong SPEC của một số chip, trong đó đề cập đến công suất tiêu tán tối đa cho phép, công suất tiêu tán và nhiệt tương ứng, công suất tiêu tán cho phép càng lớn thì nhiệt độ tiếp giáp tương ứng cũng sẽ lớn hơn.

Mặt khác, mức tiêu thụ năng lượng của chip đề cập đến lượng năng lượng mà thiết bị điện tiêu thụ trên một đơn vị thời gian và đơn vị là W, chẳng hạn như máy điều hòa không khí 2000W, v.v.

Khả năng chịu nhiệt và tăng nhiệt độ

Tất cả chúng ta đều biết một câu nói: Tuyết không lạnh và tuyết trở nên lạnh. Đây là một quá trình vật lý. Tuyết rơi là một quá trình khử thăng hoa và tỏa nhiệt, còn tuyết tan là quá trình tan chảy và hấp thụ nhiệt. Sự tăng nhiệt độ của chip tương đối với nhiệt độ môi trường xung quanh (25 độ), do đó phải đề cập đến khái niệm khả năng chịu nhiệt.

Điện trở nhiệt đề cập đến tỷ lệ giữa chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu của vật thể và công suất của nguồn nhiệt khi nhiệt truyền lên vật thể và đơn vị là độ /W hoặc K/W. Như hình bên dưới, khi hàn một con chip lên PCB, có ba đường tản nhiệt chính cho chip, tương ứng với ba điện trở nhiệt.

1. Điện trở nhiệt từ bên trong chip đến vỏ và chân cắm - chip là cố định và không thể thay đổi.

2. Điện trở nhiệt từ chân chip đến bo mạch PCB - được xác định bằng mối hàn tốt và bo mạch PCB.

3. Điện trở nhiệt từ vỏ chip ra không khí - được xác định bởi tản nhiệt và không gian ngoại vi của chip. Thông số điện trở nhiệt của chip bán dẫn

Ta là nhiệt độ môi trường, Tc là nhiệt độ bề mặt vỏ và Tj là nhiệt độ tiếp giáp. Θja: Điện trở nhiệt giữa nhiệt độ tiếp giáp (Tj) và nhiệt độ môi trường (Ta). Θjc: Điện trở nhiệt giữa nhiệt độ tiếp giáp (Tj) và nhiệt độ bề mặt vỏ (Tc). Θca: Điện trở nhiệt giữa nhiệt độ bề mặt vỏ (Tc) và nhiệt độ môi trường (Ta).

Công thức tính nhiệt trở là: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta cộng Θja*Pd trong đó Θja*Pd là độ tăng nhiệt độ, cũng có thể gọi là nhiệt trị .

1. Trong điều kiện điện trở nhiệt không đổi, mức tiêu thụ điện năng Pd càng nhỏ thì nhiệt độ sẽ càng thấp.

2. Trong trường hợp tiêu thụ điện năng nhất định, điện trở nhiệt càng nhỏ thì càng tốt và điện trở nhiệt càng nhỏ thì tản nhiệt càng tốt.

Lỗi tính toán nhiệt độ mối nối

Nhiều người sử dụng công thức này để tính nhiệt độ tiếp giáp: Tj=Ta cộng Θja*Pd, được nêu trong tài liệu của TI nhưng không chính xác.

Ý nghĩa chung là Θja là một hàm đa biến, không thể phản ánh tình trạng thực tế của chip được hàn trên PCB và có mối tương quan chặt chẽ với thiết kế của PCB và kích thước của Chip/Pad. Khi các yếu tố này thay đổi, giá trị của Θja cũng sẽ thay đổi. Có sự khác biệt lớn giữa việc thử nghiệm Θja của nhà sản xuất chip và cách sử dụng thực tế của chúng tôi, vì vậy nó được sử dụng để tính toán nhiệt độ đường giao nhau và sai số sẽ lớn.

Điện trở nhiệt Θja có mối tương quan chặt chẽ với các thông số này

Đồng thời, sử dụng công thức Tj=Tc cộng Θjc*Pd để đo nhiệt độ Tc của vỏ chip bằng camera hồng ngoại rồi tính ra Tj chưa chính xác lắm. Θja và Θjc do nhà sản xuất đưa ra có thể giúp chúng ta đánh giá hiệu suất tản nhiệt của chip nhiều hơn và so sánh với các chip khác.

Trong thông số của một số chip sẽ có ΨJT và ΨJB. Hai thông số này không phải là khả năng chịu nhiệt thực sự. Phương pháp được các nhà sản xuất chip sử dụng để kiểm tra ΨJT và ΨJB rất gần với môi trường ứng dụng của thiết bị thực tế nên có thể dùng để ước tính nhiệt độ tiếp giáp. Nó cũng được ngành công nghiệp áp dụng, có thể thấy hai thông số này nhỏ hơn Θja và Θjc nên trong cùng mức tiêu thụ điện năng, nhiệt độ điểm nối được tính toán bởi Θja cao hơn nhiệt độ thực tế.

ΨJT đề cập đến Junction to Top of Package, tham số từ mối nối đến vỏ gói, công thức tính toán là Tj=Tc cộng với ΨJT*Pd, Tc là nhiệt độ vỏ chip. ΨJB, đề cập đến các tham số Junction to Board, mối nối với bo mạch PCB, công thức tính toán là: Tj=Tb cộng với ΨJB*Pd, Tb là nhiệt độ của bo mạch PCB.

ΨJT và ΨJB có thể được sử dụng để tính nhiệt độ đường giao nhau

Thiết kế nhiệt

Thiết kế tản nhiệt cũng giống như vấn đề EMC, tốt nhất nên giải quyết ở giai đoạn đầu, nếu không việc khắc phục sau này sẽ rất rắc rối. Trong giai đoạn đầu của thiết kế, cấu trúc, cách xếp chồng PCB, cách bố trí, trang trí, v.v. sẽ được xem xét và các vật liệu tản nhiệt sẽ được xem xét ở giai đoạn sau.