Jäähdyttimen valinta ja käyttöperusteet

Useimmat elektroniset komponentit, erityisesti mikroprosessorit ja mikro-ohjaimet, ovat jatkaneet lämpötiheyden kasvua koon jatkuvan pienenemisen vuoksi. Koska odotettavissa oleva käyttöikä, luotettavuus ja suorituskyky ovat kääntäen verrannollisia laitteen käyttölämpötilaan, tämän kehityksen seurauksena lämpösuunnittelusta ja -hallinnasta on tullut tärkeä suunnittelukysymys. Siksi suunnittelijan'n vastuulla on olla selkeä käsitys tehokkaasta lämmönhallinnasta ja käytettävissä olevista jäähdytyselementtiratkaisuista, jotta laitteiden käyttölämpötila pysyy toimittajan asettamissa rajoissa.

Jäähdyttimen toimintaperiaate on kasvattaa jäähdytysnesteelle (ilmalle) alttiina olevaa laitteen pinta-alaa. Jos patteri on asennettu oikein, se voi alentaa laitteiston lämpötilaa parantamalla lämmön siirtymistä kiinteän ilman rajan yli viileämpään ympäröivään ilmaan.

1. Lämpöpiiri

Integroidun piirin (IC) teho häviää lämmön muodossa aktiivisesta transistoriliitoksesta, ja liitoksen lämpötila on verrannollinen hajaantuneeseen tehoon. Valmistaja määrittelee liitoslämpötilan maksimilämpötilan, mutta se on yleensä noin 150°C. Tämän liitoslämpötilan ylittäminen vaurioittaa laitetta yleensä, joten suunnittelijan on löydettävä keinot siirtää mahdollisimman paljon lämpöä IC:stä. Tätä varten he voivat luottaa melko yksinkertaiseen malliin lämpövirran mittaamiseksi. Tämä malli on samanlainen kuin ohmin':n lain sähköinen laskenta, joka perustuu lämpövastuksen käsitteeseen, symbolilla θ (kuva 1).

sisään:

θ on lämpöresistanssi lämpöesteen poikki yksikössä ℃/W.

∆T on lämpöesteen poikki lämpötilaero ℃.

P on solmun hajoama teho watteina.

IC:n ja jäähdytyselementin fyysisestä asettelusta lähtien on monia lämpörajapintoja. Ensimmäinen on liitoksen ja IC:n kotelon välissä ja sitä edustaa lämpöresistanssi θjc.

Jäähdytyselementti on sidottu IC:iin käyttämällä lämpörajapintamateriaalia (TIM), kuten lämpötahnaa tai lämpöteippiä lämmönjohtavuuden parantamiseksi kahden laitteen välillä. Tällä lämpöä johtavalla kerroksella on yleensä hyvin alhainen lämpövastus, joka on osa kuoresta jäähdytyselementtiin kulkevaa lämpövastusta ilmaistuna θcs:llä. Viimeinen taso on säteilijän ja ympäröivän ympäristön välinen rajapinta, jota merkitään θsa.

Lämpövastus on kuin vastukset elektronisissa piireissä, jotka on kytketty sarjaan. Kaikkien lämpöresistanssien summa on kokonaislämpövastus risteyksestä ympäröivään ilmaan.

Yleensä IC-toimittajat määrittelevät implisiittisesti tai eksplisiittisesti lämpövastuksen liitoksesta toiseen. Tämä spesifikaatio voidaan antaa kotelon maksimilämpötilan muodossa, mikä eliminoi yhden lämpövastuselementeistä. Sovellus-IC:n suunnittelijalla ei ole valtaa kotelon liitoksen lämpöresistanssiominaisuuksiin. Suunnittelija voi kuitenkin valita TIM:n ja jäähdytyselementin ominaisuudet jäähdyttämään IC:n täysin ja pitämään liitoslämpötilan määritellyn enimmäislämpötilan alapuolella.Yleisesti ottaen mitä pienempi TIM:n ja jäähdytyselementin lämpövastus on, sitä alhaisempi on jäähdytettävän IC':n kotelon lämpötila.

2 Esimerkki jäähdyttimen valinnasta

Ohmiten toimittamat BG-sarjan jäähdytyslevyt on suunniteltu käytettäviksi palloruudukon (BGA) tai muovisen palloruudukon (PGBA) keskusyksikössä (CPU), grafiikkasuoritusyksikössä (GPU) tai vastaavissa prosessoreissa, joissa on neliömäinen pakkaussubstraatti (kuva 2).

Tässä sarjassa on 10 erityyppistä jäähdytyselementtiä, joiden substraatit vastaavat yleisiä IC-kokoonpanoja, kooltaan 15 × 15 mm (mm) - 45 × 45 mm, ja ripa-alueet vaihtelevat 2 060 - 10 893 mm2 (taulukko 1). Nämä RoHS-yhteensopivat jäähdytyslevyt on valmistettu mustaksi anodisoidusta 6063-T5-alumiiniseoksesta.

Päätelmät

Lämmönpoiston näkökulmasta patterin valinta on suhteellisen yksinkertaista. Kuten edellä mainittiin, Ohmite BG -sarjan jäähdytyselementti tarjoaa käyttökelpoisen ratkaisun BGA-pakettien IC:iden jäähdytysongelmaan.