Yarı iletken endüstrisinde ısı süpürgecilerinin uygulanması

Isı süpürgecileri yarı iletken endüstrisinde kritik bileşenlerdir ve termal performansını yönetmekte ve elektronik cihazların güvenilirliğini sağlamakta hayati bir rol oynar. Yarı iletken cihazları güç yoğunluğunda artarken boyutunda küçülmeye devam ettikçe, etkili termal yönetim modern elektronik tasarımının temel taşı haline geldi. Bu makale, ısı sinklerinin arkasındaki teknolojileri, yarı iletken endüstrisindeki uygulamalarını ve bu alandaki gelecekteki eğilimleri araştırır.

Isı Sink Teknolojisi ve Uygulamaları

1. Süreç Teknolojisi Genel Bakış

Isı süpürgecileri, ısıyı sağlam bir yüzeyden, öncelikle iletim ve konveksiyon yoluyla dağıtmak için tasarlanmıştır. Genellikle alüminyum, bakır veya ikisinin de bir kombinasyonu gibi yüksek termal iletkenlik malzemelerinden yapılır. Üretim süreçleri ekstrüzyon, döküm, işleme ve daha yakın zamanda karmaşık geometriler için katkı üretimi içerir. Anodizleme veya kaplama gibi yüzey işlemleri korozyon direncini ve ısı aktarma verimliliğini artırır.

1.1 Genel noktalar

Yarı iletken cihazların optimum performansını sağlamak için üretici tarafından belirtilen maksimum bağlantı sıcaklığını aşmamak gereklidir.

Genellikle bu maksimum bağlantı sıcaklığı sadece ilgili cihazı daha düşük güç çıkışlarında çalıştırarak aşmadan korunabilir.

Maksimum derecelere yaklaşan çıkışlarda yarı iletken cihazları, ısı sinkler olarak adlandırılan soğutmalıdır.

Bu ısı sinklerinin termal performansı öncelikle yapıldıkları malzemenin termal iletkenliğine, yüzey alanının boyutuna ve kütlesine bağlıdır.

Ayrıca, yüzey rengi, montaj konumu, sıcaklık, ortam hava hızı ve montaj yerinin hepsi bir uygulamadan diğerine ısı süpürgecinin son performansı üzerinde farklı etkiye sahiptir.

Elektronik soğutma sistemlerini test etmek veya termal direncin belirlenmesi için kararlaştırılmış uluslararası standart yöntemler yoktur.

1.2. Termal direncin belirlenmesi

Termal direnç, mekanik dikkateler dışında soğutucu seçiminde en önemli parametredir. Termal direncin belirlenmesi için aşağıdaki denklem uygulanır:

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

Maksimum bağlantı sıcaklığının aşılmadığı bir uygulama durumunda sıcaklık doğrulanmalıdır.

Kasa sıcaklığı ölçüldüğünde aşağıdaki denklemin kullanımı, maksimum bağlantı sıcaklığının hesaplanmasını sağlayacaktır:

Denkleme 2: θi = θG + P x RthG

Belirleyicilerin anlamı:

θi = üretici tarafından belirtildiği gibi cihazın °C'de maksimum bağlantı sıcaklığı. Bir "güvenlik faktörü" olarak bu 20-30 ° C azaltılmalıdır.

θu = ortam sıcaklığı °C'de.

Isı ısıtıcısının radyan ısısından kaynaklanan sıcaklık artışı 10-30 ° C'lik bir marja ile arttırılmalıdır.

Δθ = maksimum birleşme sıcaklığı ve ortam sıcaklığı arasındaki fark.

θG = cihaz kasasının ölçülmüş sıcaklığı (denklem 2).

P = cihazın maksimum güç derecesi [W] Rth = termal direnç [K/W]

RthG = yarı iletken cihazının iç termal direnci (üretici tarafından belirtildiği gibi)

RthM = montaj yüzeyinin termal direnci. TO 3 durumlar için aşağıdaki yaklaşık değerler geçerlidir:

1. kuru, insulatar olmadan 0,05 - 0,20 K / W

2. termal bileşik ile / yalıtıcı olmadan 0.005 - 0.10 K / W

3. Termal bileşikli alüminyum oksit gofre 0,20 - 0,60 K / W

4. Mika wafer (0,05 mm kalınlığı) termal bileşik ile 0,40 - 0,90 K / W

RthK = doğrudan diyagramlardan alınabilen ısı süpürgecinin termal direnci

RthGM = RthG ve RthM toplamı. Birkaç transistorun paralel bağlantıları için RthGM değeri aşağıdaki denklemle belirlenebilir:

Denkleme 3: = + + . .. +

Sonuç 1 denklemine değiştirilebilir.

K = Kelvin, sıcaklık farklılıklarının standart ölçümüdür, C'de ölçülür, bu nedenle 1 ° C = 1 K.

K/W = watt başına Kelvin, termal direnç birimi.

Hesaplama örnekleri:

1. 60 watt dereceli bir TO 3 güç transistorunun maksimum birleşme sıcaklığı 180 ° C'dir ve alüminyum oksit plakaları ile 40 ° C'lik bir ortamda 0,6 K / W'lik bir iç direnci vardır.

Isı ısıtıcısı için hangi termal direnç gereklidir?

verilen:

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

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (güvenlik marjı için) RthM = 0,4 K/W (ortalama değer)

θu = 40 °C

1 denklemini kullanarak RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Yukarıdaki gibi aynı koşullar ancak eşit dağıtılmış güç derecelerine sahip üç cihaz için.

çözüm kullanımı denklem 1 ve denklem 3 = + + = W / K RthGM GES. = K / W = 0.33 K / W

Denkleme 1'in yerine: RthK = _ 0,33 K/W = 1,67 K/W

Bu değerler belirlendiğinde, sayfa A 13 - 17'deki tablo, olası ısı sink profillerinin bir seçimi vermek için kullanılabilir. Sonra çizimler ve eğrilerin incelenerek son seçim yapılabilir.

3. 50 W güç derecesi ve 0,5 K / W iç termal direnci olan bir transistor, 40 ° C'lik bir kasa sıcaklığına sahiptir. Bağlantı sıcaklığının gerçek değeri nedir?

verilen:

P = 50 W R thG = 0,5 K/W θG = 40 °C

bul: θiusing denklemi 2

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

Zorlu konveksiyonlu herhangi bir profilin termal direncileri

RthKf ≈ bir • RthK

RthKf = zorlu konveksiyonlu termal direnç

RthK = Doğal konveksiyonlu termal direnç

a = oranı faktörü

2. Elektronik yarı iletken cihazların performansı, hizmet ömrü ve güvenilirliği, cihazların maruz kaldığı termal yükle önemli ölçüde belirlenir. Maksimum çalışma sıcaklığının aşılması arızalara neden olur. İzin verilen bağlantı sıcaklığının aşılması yarı iletkenin yıkılmasına neden olur. Bunu daha da kötüleştirmek için yarı iletken endüstrisinde elektronik cihazların entegrasyon ve güç yoğunluklarının sürekli artması için ilerleyen bir eğilim var. Termal problemlerin çözümü için ilk soru, hangi tür ısı dağılımının dikkate alınması gerektiğidir. Bunun için farklı süreçler mevcuttur: farklı ısı sink çözümleri ile serbest konveksiyon (pasif), zorlu konveksiyon (fanlar, soğutma agregatları yardımıyla aktif) veya sıvı ortam (sıvı soğutma) yoluyla.

Bununla birlikte, elektronik cihazlar ve sistemler birçok farklı sınır ve kurulum koşuluna sahiptir. Bu nedenle optimal termal yönetim seçimi genellikle zor. Hesaplamalar için termal direnci kullanarak veya doğrudan uygulamada prototipleri test ve doğrulayarak doğru ısı dağılım konseptini bulmak için kesinlikle olasılıklar var, ancak günümüzde müşteri tarafından belirtilen mekanik ayarlar her zamankinden daha fazla talep ediliyor ve talep ediliyor. Ek entegre ipler veya delme gibi küçük mekanik sonrası işlemeler, termal direncin sıcaklığındaki güvenlik rezervleri ile hesaplamada dikkate alınabilir, ancak kapsamlı modifikasyonlar termal koşulların tekrar tekrar denetimini gerektirir.

Termal simülasyonda dikkate alınan faktörler

KINGKA termal simülasyonu ile soğutma konseptinin gerekli özellikleri doğru olarak belirlenebilir. Kütle, enerji ve impuls gibi fiziksel kavramlara dayanarak, yazılım özellikle doğal veya zorlu konveksiyonun termal gereksinimlerini dikkate alır. Aynı zamanda, sistem sıvı üzerinden ısıyı dağıtır. Ayrıca, termal simülasyon termal radyasyon ve türbülans gibi fiziksel etkileri hesaplar. Farklı yüzeylerin radyasyon faktörleri de rol oynar.

KINGKA, termal simülasyon teması hakkında size ayrıntılı tavsiye etmekten memnuniyet duyacaktır. Uzmanlarımız tüm teknik danışmanlıklar için sizin hizmetinizde.

2.2 Yarı iletken endüstrisindeki rol

Isı süpürgecileri, kavşak sıcaklıklarını güvenli sınırlar içinde tutmakta, termal kaçışmayı önlemekte ve istikrarlı çalışmayı sağlamakta önemli bir rol oynar. Bunlar, entegre devreler ve elektronik montajlar içindeki CPU, GPU, güç yarı iletkenleri (IGBT, MOSFET) ve diğer ısıya duyarlı bileşenleri korumak için çok önemlidir.

2.3 Temel Uygulama Alanları

Yüksek Performanslı Bilgisayar (HPC): Süper bilgisayarlarda ve veri merkezlerindeki işlemcileri soğutmak için gerekli.

· Otomotiv Elektronikleri: Elektrikli araç inverterlerinin, ADAS sistemlerinin ve bilgi eğlence ünitelerinin güvenilirliğini sağlar.

· Telekomünikasyon: Ağır yük altında baz istasyonlarının ve yönlendiricilerin performansını korur.

3. Sonuç

Isı sinkleri, yarı iletken endüstrisinin ısı üretimindeki sürekli artışı yönetme yeteneği için temeldir. Tasarım ve üretim teknolojileri gelişmeye devam ediyor ve daha akıllı ve daha sürdürülebilir soğutma çözümlerine yol açıyor. Endüstri performans ve entegrasyonun sınırlarını ilerledikçe, etkili termal yönetimin rolü sadece önemliliği artacaktır.