Aplicarea căldurii în industria semiconductorilor

Disipatorii de căldură sunt componente critice în industria semiconductorilor, jucând un rol vital în gestionarea performanței termice și asigurarea fiabilității dispozitivelor electronice. Pe măsură ce dispozitivele semiconductore continuă să se micşoreze în mărime, creştând în acelaşi timp densitatea de putere, gestionarea termică eficientă a devenit o piatră de temelie a designului electronic modern. Acest articol explorează tehnologiile din spatele radiatoarelor de căldură, aplicațiile lor în industria semiconductorilor și tendințele viitoare în acest domeniu.

Tehnologia și aplicațiile căldurii

1. Prezentare generală a tehnologiei proceselor

Disipatoarele de căldură sunt concepute pentru a disipa căldura dintr-o suprafață solidă, în primul rând prin conductie și convecție. Acestea sunt de obicei construite din materiale cu conductivitate termică ridicată, cum ar fi aluminiul, cuprul sau o combinație a celor două. Procesele de fabricație includ extrudarea, turnarea sub presiune, prelucrarea și, mai recent, fabricația aditivă pentru geometrii complexe. Tratamentele de suprafață cum ar fi anodizarea sau placarea sporesc rezistența la coroziune și eficiența transferului de căldură.

1.1 Puncte generale

Pentru a asigura performanța optimă a dispozitivelor semiconductore, este esențial să nu se depășească temperatura maximă de joncțiune indicată de producător.

În general, această temperatură maximă de joncțiune poate fi menținută numai fără a o depăși prin rularea dispozitivului în cauză la ieșiri de putere mai mici.

La ieșirile care se apropie de ratele maxime, dispozitivele semiconductore trebuie răcite de așa-numitele radiatoare de căldură.

Performanța termică a acestor radiatoare depinde în primul rând de conductivitatea termică a materialului din care sunt fabricate, mărimea suprafeței și masa.

În plus, culoarea suprafeței, poziția de montare, temperatura, viteza aerului înconjurător și locul de montare au influențe variabile asupra performanței finale a radiatorului de căldură de la o aplicație la alta.

Nu există metode standard internaționale convenite pentru testarea sistemelor electronice de răcire sau pentru determinarea rezistenței termice.

1.2. Determinarea rezistenței termice

Rezistența termică este parametrul cel mai important în selecția răcitorului, în afară de considerațiile mecanice. Pentru determinarea rezistenței termice se aplică următoarea ecuație:

Ecuația 1: RthK = − ( RthG + RthM ) = − RthGM

În cazul unei aplicații în care temperatura maximă a joncțiunii nu este depășită, temperatura trebuie verificată.

Atunci când a fost măsurată temperatura cazului, utilizarea următoarei ecuații va permite calcularea temperaturii maxime de joncțiune:

Ecuația 2: θi = θG + P x RthG

Semnificația determinanților:

θi = temperatura maximă de joncțiune în °C a dispozitivului, astfel cum este indicată de producător. Ca „factor de siguranță”, acest lucru trebuie redus cu 20-30 °C.

θu = temperatura mediului în °C.

Creșterea temperaturii cauzată de căldura radiantă a disipadorului de căldură ar trebui să fie crescută cu o marjă de 10-30 ° C.

Δθ = diferența dintre temperatura maximă a joncțiunii și temperatura mediului.

θG = temperatura măsurată a carcasei dispozitivului (ecuația 2).

P = puterea maximă nominală a dispozitivului în [W] Rth = rezistența termică în [K/W]

RthG = rezistența termică internă a dispozitivului semiconductor (indicată de producător)

RthM = rezistența termică a suprafeței de montaj. Pentru cazurile TO 3 se aplică următoarele valori aproximative:

1. uscat, fără izolator 0,05 - 0,20 K/W

2. cu compus termic/fără izolator 0,005 - 0,10 K/W

3. Placa de oxid de aluminiu cu compus termic 0,20 - 0,60 K / W

4. Placa de mică (grosime 0,05 mm) cu compus termic 0,40 - 0,90 K / W

RthK = rezistența termică a radiatorului, care poate fi luată direct din diagrame

RthGM = suma RthG și RthM. Pentru conexiuni paralele de mai mulți tranzistori, valoarea RthGM poate fi determinată prin următoarea ecuație:

Ecuația 3: = + + . .. +

Rezultatul poate fi înlocuit cu ecuația 1.

K = Kelvin, care este măsura standard a diferențelor de temperatură, măsurată în °C, prin urmare 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin pe watt, unitatea de rezistență termică.

Exemple de calcul:

1. Un tranzistor de putere TO 3 cu o capacitate nominală de 60 de watți are o temperatură maximă de joncțiune de 180 °C și o rezistență internă de 0,6 K/W la un mediu ambiant de 40 °C cu plăci de oxid de aluminiu.

Ce rezistență termică este necesară pentru radiatorul de căldură?

date:

P = 60 W R thG = 0,6 K/W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (pentru marja de siguranță) RthM = 0,4 K/W (valoare medie)

θu = 40 °C

găsiți: RthK folosind ecuația 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Acelaşi condiţii ca şi cele de mai sus, cu excepţia celor trei dispozitive cu putere nominală distribuită în mod egal.

utilizarea soluției ecuația 1 și ecuația 3 = + + = W/K RthGM ges. = K/W = 0,33 K/W

înlocuitorul în ecuația 1 dă: RthK = _ 0,33 K/W = 1,67 K/W

Cu aceste valori determinate, tabelul de pe pagina A 13 - 17 poate fi utilizat pentru a oferi o alegere a profilurilor posibile de radiator. Apoi, prin examinarea desenelor și curburilor, se poate face alegerea finală.

3. Un tranzistor cu putere nominală de 50 W și rezistență termică internă de 0,5 K/W are o temperatură de 40 °C. Care este valoarea reală a temperaturii de joncțiune?

date:

P = 50 W R thG = 0,5 K/W θG = 40 °C

găsi: θiusing ecuația 2

θi = θG+ (P • RthG) θi = 40 °C + (50 W • 0,5 K/W) = 65 °C

Rezistențe termice ale oricăror profiluri cu convecție forțată

RthKf ≈ a • RthK

RthKf = rezistență termică cu convecție forțată

RthK = rezistență termică cu convecție naturală

a = Factor de proporţie

Performanța, durata de viață și fiabilitatea dispozitivelor electronice semiconductore sunt determinate în mod semnificativ de sarcina termică la care sunt expuse dispozitivele. Depășirea temperaturii maxime de funcționare duce la defecțiuni. Depășirea temperaturii permise a joncțiunii duce la distrugerea semiconductorului. Pentru a înrăutăți situația, există o tendință în creștere în industria semiconductorilor pentru creșterea continuă a densităților de integrare și putere ale dispozitivelor electronice. Pentru soluția problemelor termice, prima întrebare este ce fel de dizipare a căldurii trebuie luată în considerare. Pentru acest lucru sunt disponibile diferite procese: prin convecție liberă (pasivă) cu diferite soluții de dissipator de căldură, prin convecție forțată (activă cu ajutorul ventilatorilor, agregatelor de răcire) sau prin mijloace fluide (răcire fluidă).

Cu toate acestea, dispozitivele și sistemele electronice au multe condiții de graniță și instalare diferite. Prin urmare, alegerea managementului termic optim este adesea dificilă. Există cu siguranță posibilități de a găsi conceptul potrivit de dizipare a căldurii prin utilizarea rezistenței termice pentru calcule sau prin testarea și verificarea prototipurilor direct în aplicație, dar astăzi sunt solicitate și cerute mai mult decât oricând reglări mecanice specificate de client. În calculul cu rezerve de siguranță la temperatura rezistenței termice pot fi luate în considerare postprelucrări mecanice mici, cum ar fi filete integrate adiționale sau foraj, dar modificările extinse necesită o inspecție repetată a circumstanțelor termice.

Factori luați în considerare în simularea termică

Cu simularea termică KINGKA, caracteristicile necesare ale conceptului de răcire pot fi determinate cu precizie. Bazându-se pe concepte fizice precum masa, energia și impulsul, software-ul ia în considerare în mod specific cerințele termice ale convecției naturale sau forțate. În același timp, sistemul disipă căldura prin intermediul lichidului. În plus, simularea termică calculează efecte fizice, cum ar fi radiațiile termice și turbulența. Factorii de radiație ai diferitelor suprafețe joacă, de asemenea, un rol.

KINGKA va fi bucuros sa va sfatuiasca in detaliu despre tema simularii termice. Experții noștri sunt la dispoziția dvs. pentru orice consiliere tehnică.

2.2 Rolul în industria semiconductorilor

Disipatorii de căldură joacă un rol vital în menținerea temperaturilor de joncțiune în limite sigure, prevenirea scurgerii termice și asigurarea funcționării stabile. Ele sunt cruciale pentru protejarea CPU-urilor, GPU-urilor, semiconductorilor de putere (IGBT-uri, MOSFET-uri) și a altor componente sensibile la căldură din circuitele integrate și ansamblurile electronice.

2.3 Domenii cheie de aplicare

Computere de înaltă performanță (HPC): esențială pentru răcirea procesoarelor din supercomputere și centre de date.

· Electronica pentru automobile: asigură fiabilitatea inversoarelor vehiculelor electrice, sistemelor ADAS și unităților de infotainment.

· Telecomunicații: Menține performanța stațiilor de bază și a ruterelor sub sarcină grea.

3. Concluzie

Dissipatorii de căldură sunt fundamentali pentru capacitatea industriei semiconductorilor de a gestiona creșterea neîncetată a generației de căldură. Tehnologiile lor de proiectare și fabricație continuă să evolueze, răspunzând cerințelor aplicațiilor emergente, deschizând în același timp calea pentru soluții de răcire mai inteligente și mai durabile. Pe măsură ce industria împinge limitele performanței și integrării, rolul managementului termic eficient va crește doar în importanță.