SamsPcbCalc الجزء 2: ما مقدار الحرارة التي يمكن أن يتبددها ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟

مع تحسين قاعدة العنصر ، تذهب طاقة أقل وأقل إلى الحرارة: تقل مقاومة الترانزستورات في الحالة المفتوحة ، وتزداد ترددات محولات الجهد النبضي. لكن مشكلة إزالة الحرارة داخل نموذج أشباه الموصلات الحالي لا يمكن تجنبها ، نفس الزيادة في الإنتاجية مع زيادة درجة التكامل تؤدي بالفعل إلى الحد من كثافة إطلاق الحرارة. بالنسبة للدوائر الدقيقة ذات قدرة فقد الحرارة لأكثر من 1 وات ، فإن المشكلة الحرارية لا تقل أهمية عن المشكلة الكهربائية. هل أحتاج إلى تبديد الحرارة إلى العلبة؟ أو استخدام غرفة التبريد للرقاقة؟ للإجابة على هذه الأسئلة ، ليس من الضروري دائمًا محاكاة المشكلة الحرارية باستخدام FEM. في هذه المقالة ، نعتبر نموذجًا مرنًا بدرجة كافية يتيح لك الحصول بسرعة على تقدير أولي للمقاومة الحرارية من اللوحة إلى البيئة بدقة جيدة.





ويمكن النظر إلى أهمية المشكلة الحرارية في قاعدة مبسطة من الإبهام الذي يقول أن كل زيادة درجة حرارة 10 ^على C تقصير الوقت للفشل بنسبة 2 مرات. وهذا يعني ، إذا كان في سن 55 ^على الرقاقة سيستمر 10 سنوات ، عند 65 ^{تقريبًا} مع 5 حجج كافية فقط لتحسين تبديد الحرارة إلى حد ما من الشريحة ، إن لم يكن اللعب في التقادم المخطط له. هذه القاعدة بعيدة كل البعد عن كونها الحقيقة المطلقة ، لكنها صحيحة نوعياً (يمكنك قراءة المزيد ، على سبيل المثال ، هنا ).



دائمًا ما يكون ترتيب المشتت الحراري عملية علوية تؤدي إلى تعقيد التوجيه وبالتالي يجب التخطيط لها مسبقًا. للقيام بذلك ، تحتاج إلى فهم ما إذا كانت لوحة الدوائر المطبوعة نفسها يمكنها التعامل مع المشتت الحراري. يشير مصنعو الرقائق في الوثائق إلى المعلمة المقاومة الحرارية "البلورية المتوسطة" R _θJA . يبدو أن:





والتقدير جاهز. لكن هذا وقح ، وقح للغاية. تعتمد المقاومة الحرارية بشكل كبير على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. وقد تم الحصول على ما هو مبين في تجربة على لوحة دوائر مطبوعة قياسية (على سبيل المثال ، كما في الشكل 1) ، والتي ، على الأرجح ، ستكون مختلفة تمامًا عما تحصل عليه. دعنا نقول فقط أنه يمكنك الحصول على المشتت الحراري أفضل بكثير في مساحة أصغر.





ما يستحق الانتباه إليه هو المقاومة الحرارية _للوحة R _θJB أو R _{θJC (أسفل)} . هذا شيء لا يعتمد على المطور ويحدده الجسم وتصميمه الداخلي. ولكن هنا ، في أغلب الأحيان ، يتم تحديد اختيار الحالة بواسطة طاقة فقد الحرارة ، وسيكون الفرق الرئيسي في درجة الحرارة على السبورة. لذلك ، نعيد كتابة الصيغة أعلاه لحالة تبديد الحرارة من خلال لوحة على النحو التالي:





حيث R _θBA هي المقاومة الحرارية _للوحة الدائرة المطبوعة مع المعلمات المحددة. يمكنك حساب هذه المقاومة بناءً على نموذج جميل مقترح يمكنك من خلاله استخلاص مقالة رائعة من ON Semiconductor. المقالة ، في الواقع ، ليست تعليمات خطوة بخطوة ، إنها نوع من رسم النموذج. اضطررت لقراءتها 10 مرات للوصول إلى نموذج معدل ، والذي قمت بتطبيقه في النهاية في آلة حاسبة على منصة SamsPcbLab . تستند الحسابات إلى نموذج رياضي واضح (موصوف هنا في هذامنشورات من نفس ON Semiconductor) لمشكلة الحرارة لحلقة متجانسة من خلال السطح الداخلي الذي يتم ملاحقة تدفق الحرارة منه. يرجع تبديد الحرارة إلى الحمل الحراري ، أي أن هذا لا يتعلق بالفراغ (يجب دفع الحرارة إلى العلبة). يظهر الرسم التخطيطي للمشكلة في الشكل 2 ، والمعادلة التفاضلية وجزء حلها الذي يهمنا هي كما يلي:







كل شيء بهذه المعادلة على ما يرام (باستثناء وظائف Bessel المعدلة) ، ويمكن حلها لسطح واحد بالحمل الحراري (إزالة "2" في الجذر) ، ولكن غالبًا ما تكون الألواح فقط بدون تناظر شعاعي وليست متجانسة ، ولكن يتم توفير الحرارة أيضًا بشكل غير متساو على طول الجزء الداخلي نصف القطر. لذلك أنت بحاجة للتكيف. يتم حل السؤالين الأولين عن طريق التقسيم إلى مناطق حلقيّة ذات خصائص متجانسة مع نفس المنطقة. لحل هذا الأخير ، تحتاج إلى بناء نموذج تقريبي لدائرة المقاومة الحرارية. يوضح الشكل 3 ما تم اقتراحه في المقالة الأصلية. يُقترح ضرب اللوحة في ثلاث مناطق: المنطقة الموجودة أسفل الدائرة الدقيقة ، والمنطقة التي بها مضلعات على الطبقة الخارجية ، والمنطقة التي بها مضلعات فقط على الطبقات الداخلية. تؤخذ في الاعتبار فقط الموصلات المتصلة مباشرة بالدائرة الدقيقة ("الرنين" المشروط).



يُقترح حساب متوسط ​​المضلعات العلوية والسفلية وأخذ متوسط ​​مساحة المعدن. أنا لا أتفق مع هذا حقًا ، لأن التأثير على تبديد الحرارة لهذه الطبقات مختلف بشكل واضح ، بالإضافة إلى أنها يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا في المنطقة (الطبقة السفلية غالبًا ما تكون أكبر في المنطقة). لذلك ، قمت بتقسيم اللوحة إلى نصفين علوي وسفلي وقمت بالحساب لكل جزء على حدة.



تحتوي المقالة على العديد من الرسوم البيانية مع تأثير المعلمات المختلفة ، من المفيد إلقاء نظرة عليها. لقد قمت بمعايرة نهجي لتقسيم اللوحة على هذه الرسوم البيانية (الشكل 4) - فهي مخصصة لحزم QFN5X5 و QFN6X6 و QFN3X3 ، على التوالي. عندما تكون اللوحة كبيرة جدًا ، "يقع" الرسم البياني على الحد المرتبط بالمقاومة الحرارية لـ vias ، ولكن لم يتم تحديد معلماتها. أخذت قطرًا 450 ميكرون ، وسمك جدار 20 ميكرون ، دون ملء.









يمكن ملاحظة أن النماذج مترابطة ، لكنني لم أحاول تحقيق مصادفة بنسبة 100 ٪ ، لأن جميع بيانات الإدخال لا تزال مفقودة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك لحظة غريبة مع vias (الشكل 5) ، وغيابها عمليًا لا يؤثر على المقاومة الحرارية ، وهي ليست بديهية للغاية.





حتى في الرسم البياني السفلي في الشكل 4 ، يمكنك رؤية صفين من البيانات ، حيث عدت نموذج منطقتين بطريقتين: استخدام ضرب المصفوفة ، كما هو موضح في المقالة AND8222 / D ، وباستخدام نموذج ، كما في الشكل 3 ، يتم تجاهل المنطقة الموجودة أسفل الدائرة المصغرة فقط (ذلك لا تساهم في المقاومة). يمكن ملاحظة أن الرسم البياني من المقالة يذهب إلى نفس الخط المقارب تقريبًا ، كما لو كان تأثير vias غائبًا. أصبح هذا بالنسبة لي عاملاً آخر يشير إلى وجود خطأ ما في نموذجهم ، مع مراعاة تأثير التداخل (أو لا أفهم شيئًا ما).



تبين أن الآلة الحاسبة مفيدة على الأقل بمعنى أنها جعلت من الممكن الانتقال من الأفكار النوعية حول تأثير العوامل المختلفة إلى التقديرات الكمية. يمكن استنتاج أن المقاومة الحرارية للوحة يمكن دفعها إلى منطقة 10 ^oC / W حتى مع الحمل الحراري الطبيعي. من أجل التبديد ، ستكون 2-3 وات كافية. ملاحظة مفيدة أخرى هي أن المعدن المتصل مباشرة بالدائرة الصغيرة فقط يلعب دورًا مهمًا في المشتت الحراري. على الرغم من أنه ، بالطبع ، كلما زاد حجم الكسر النحاسي في اللوح ، زادت الموصلية الحرارية الفعالة. على أساس هذه الآلة الحاسبة ، يمكنك زيادة وجود المشتت الحراري على الدائرة المصغرة والمشتت الحراري للحالة ، وسأفعل هذا أيضًا. إذا كان هناك شيء مثير للاهتمام ، فسأشاركه في المنشورات القادمة.