Cơ sở ứng dụng và lựa chọn bộ tản nhiệt

Hầu hết các linh kiện điện tử, đặc biệt là bộ vi xử lý và vi điều khiển, đã tiếp tục tăng mật độ nhiệt do kích thước tiếp tục bị thu hẹp. Do tuổi thọ, độ tin cậy và hiệu suất tỷ lệ nghịch với nhiệt độ hoạt động của thiết bị, kết quả của sự phát triển này là thiết kế và quản lý nhiệt đã trở thành một vấn đề thiết kế chính. Do đó, nhà thiết kế&# 39 có trách nhiệm hiểu rõ về việc quản lý nhiệt hiệu quả và các giải pháp tản nhiệt có sẵn để giữ nhiệt độ hoạt động của thiết bị trong phạm vi do nhà cung cấp đặt ra.

Nguyên lý hoạt động của bộ tản nhiệt là tăng diện tích bề mặt thiết bị tiếp xúc với chất làm mát (không khí). Nếu bộ tản nhiệt được lắp đặt đúng cách, bộ tản nhiệt có thể làm giảm nhiệt độ của thiết bị bằng cách cải thiện sự truyền nhiệt qua ranh giới không khí rắn sang không khí xung quanh mát hơn.

1. Mạch nhiệt

Nguồn điện trong mạch tích hợp (IC) được tiêu tán dưới dạng nhiệt từ điểm nối bóng bán dẫn hoạt động và nhiệt độ của điểm tiếp giáp tỷ lệ với công suất tiêu tán. Nhà sản xuất quy định nhiệt độ mối nối tối đa, nhưng nói chung là khoảng 150 ° C. Nhiệt độ đường giao nhau vượt quá mức này nói chung sẽ gây ra hư hỏng cho thiết bị, vì vậy người thiết kế phải tìm cách truyền nhiệt càng nhiều càng tốt từ vi mạch. Để làm được điều này, họ có thể dựa vào một mô hình khá đơn giản để đo dòng nhiệt. Mô hình này tương tự như tính toán điện của định luật Ohm' s, dựa trên khái niệm điện trở nhiệt, với ký hiệu θ (Hình 1).

trong:

θ là điện trở nhiệt qua hàng rào nhiệt tính bằng ℃ / W.

∆T là chênh lệch nhiệt độ qua hàng rào nhiệt tính bằng ℃.

P là công suất do nút tiêu tán, tính bằng oát.

Từ cách bố trí vật lý của vi mạch và tản nhiệt, có rất nhiều giao diện nhiệt. Đầu tiên là giữa đường giao nhau và vỏ của IC và được biểu thị bằng điện trở nhiệt θjc.

Tản nhiệt được liên kết với vi mạch bằng vật liệu giao diện nhiệt (TIM) như keo tản nhiệt hoặc băng keo tản nhiệt để tăng cường khả năng dẫn nhiệt giữa hai thiết bị. Lớp dẫn nhiệt này nói chung có điện trở nhiệt rất thấp, là một phần của lực cản nhiệt từ vỏ đến bộ phận tản nhiệt, được biểu thị bằng θcs. Cấp cuối cùng là giao diện giữa bộ tản nhiệt và môi trường xung quanh, ký hiệu là θsa.

Nhiệt điện trở giống như điện trở trong mạch điện tử, được mắc nối tiếp. Tổng của tất cả các điện trở nhiệt là tổng trở nhiệt từ đường giao nhau đến không khí xung quanh.

Nói chung, các nhà cung cấp vi mạch sẽ chỉ định rõ ràng hoặc rõ ràng về điện trở nhiệt cho từng trường hợp. Đặc điểm kỹ thuật này có thể được cung cấp dưới dạng nhiệt độ trường hợp tối đa, loại bỏ một trong các yếu tố điện trở nhiệt. Người thiết kế vi mạch ứng dụng không có quyền kiểm soát các đặc tính điện trở nhiệt của đường giao nhau với vỏ máy. Tuy nhiên, người thiết kế có thể chọn tính năng TIM và tản nhiệt để làm mát hoàn toàn vi mạch và giữ nhiệt độ tiếp giáp dưới nhiệt độ tối đa quy định.Nói chung, điện trở nhiệt của TIM và tản nhiệt càng nhỏ thì nhiệt độ của vỏ IC' được làm mát càng thấp.

2 Ví dụ về lựa chọn bộ tản nhiệt

Tản nhiệt dòng BG do Ohmite cung cấp được thiết kế để sử dụng trong mảng lưới bóng (BGA) hoặc mảng lưới bóng nhựa (PGBA) bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ xử lý đồ họa (GPU) hoặc các bộ xử lý tương tự với đế gói vuông (Hình 2).

Có 10 kiểu thiết kế tản nhiệt trong loạt sản phẩm này, với các chất nền phù hợp với cấu hình IC phổ biến, có kích thước từ 15 × 15 mm (mm) đến 45 × 45 mm và diện tích vây từ 2.060 đến 10.893 mm2 (Bảng 1). Các tản nhiệt đạt tiêu chuẩn RoHS này được làm bằng hợp kim nhôm 6063-T5 được anodized đen.

Kết luận

Từ góc độ tản nhiệt, việc lựa chọn một bộ tản nhiệt tương đối đơn giản. Như đã nói ở trên, tản nhiệt Ohmite BG series cung cấp một giải pháp khả thi cho vấn đề làm mát các IC trong gói BGA.