Розрахунок температури поверхні чипу ІМС в пластмасовому корпусі

Лекція №3

Перенесення теплової енергії кондукцією, конвекцією та випроміненням

В залежності від умов можуть мати місце різні варіанти передачі теплової енергії Ф_ij від ізотермічної поверхні i до ізотермічної поверхні j. В загальному випадку необхідно розглядати сумарний потік енергії, обумовлений кожним видом перенесення теплової енергії:

Ф_ij = Ф_ijк + Ф_ijс + Ф_ijв = (θ_i – θ_j)(1/R_ijк + 1/R_ijс + 1/R_ijв) (1.20)

де Ф_ijк, R_ijк – тепловий потік та тепловий опір кондукцією.

1.6 Приклади наближених розрахунків по визначенню температури поверхні чипу Інтегральних мікросхем (ІМС)

В керамічному корпусі з жорсткими штирьовими виводами та приєднаним радіатором.

Рис. 1.4.

На рисунку 1.4. відображено перетин конструкції ІСМ в пластмасовому корпусі, яка через зовнішні виводи 1 з’єднана з друкованою платою 2. ІМС складається із чипу 3, який через рамку внутрішніх виводів 4, як правило, у вигляді друкованих проводів із алюмінію на поліімідній плівці, з’єднаний із рамкою зовнішніх виводів 1. Конструкція поєднується в пластмасовому корпусі 5, де:

h_в – ефективна товщина шару зовнішніх виводів з врахуванням проміжків між виводами (середня товщина шару виводів);

h_р – ефективна (середня) товщина шару внутрішніх виводів (товщина поліимідної рамки);

λ_в та λ_р – коефіцієнти теплопровідності шару зовнішніх виводів та рамки внутрішніх виводів (поліимідної рамки).

В загальному випадку потужність Р, яка виділяється на поверхні чипу під час роботи ІМС (вся електронна схема ІМС розташована в поверхневому шарі чипу), розповсюджується :

ü від верхньої поверхні чипу до верхньої частини корпусу ІМС;

ü через чип до нижньої частини корпусу ІМС;

ü через рамку внутрішніх поліимідних виводів до зовнішніх виводів;

ü через зовнішні виводи до друкованої плати і, крім того, через поверхні зовнішніх виводів, що знаходяться в об’ємі корпусу, через матеріал корпусу тече до поверхні корпусу, а далі із поверхні корпусу і поверхні зовнішніх виводів, які контактують із зовнішнім середовищем, енергія тече у зовнішнє середовище;

ü через об’єм друкованої плати тече до її поверхні і далі розповсюджується в середовище, яке контактує із поверхнями друкованої плати.

Для складання наближеної загальної еквівалентної теплової схеми теплового процесу спочатку оцінимо теплові опори окремих елементів при наступних вихідних конструктивних даних:

Чип. Площа S_ч=1,0 [см²]; товщина h_ч 0,5 [мм]; λ_ч =150 [Вт/(к·м)].

Внутрішні виводи. Розглядаємо спрощено їх у вигляді еквівалентного кільця, внутрішній край якого з’єднаний з поверхнею чипу, а зовнішній край з початком зовнішніх виводів корпусу. Товщина цього кільця h_р = 0,05 мм; його внутрішній радіус r_рв = 5,0 [мм]; а зовнішній r_рз = 5,1 мм; теплопровідність λ_р = 200 Вт/(к·м).

Зовнішні виводи. Розглядаємо їх також спрощено у вигляді кільця, внутрішній край якого радіусом r_вв = r_рз = 2,6 мм, з’єднаний з внутрішніми виводами на поліамідній рамці. Зовнішній край кільця виводів радіусом r_вз = 15 мм з’єднаний із друкованою платою. Вважаємо, що ділянка виводів, яка контактує із зовнішнім середовищем між краєм корпусу та друкованою платою є відсутньою. λ_в = 200 Вт/(к·м).

Корпус. Товщина h_к = 3,5 мм] S_к = 9,0 см²; λ_к = 1 [Вт/(к·м)].

Тепловий опір чипу R_ч з робочої поверхні до протилежної сторони чипу:

Тепловий опір шару внутрішніх виводів (поліімідної рамки) – від краю чипу до початку зовнішніх виводів:

Тепловий опір шару зовнішніх виводів:

Тепловий опір кондукцією від поверхні кристалу і виводів до зовнішніх поверхонь корпусу. Вважаємо, що середина корпусу є поверхня із постійною температурою.

Тепловий опір конвекцією із поверхні корпусу в зовнішнє середовище R_кс:

де α_кс – коефіцієнт тепловіддачі між поверхнею корпусу і зовнішнім середовищем. α_кс визначається системою охолодження і знаходиться реально в діапазоні значень 20÷150 Вт/м²·˚С для природної повітряної системи охолодження.

Складаємо еквівалентну теплову схему розглянутих теплових процесів. Тепловий опір чипу має відносно низьке значення і він суттєво не впливає на процеси. Тому великої помилки не буде, якщо у загальній тепловій схемі тепловий опір чипу послідовно з’єднаємо з тепловим опором внутрішніх і зовнішніх виводів (R_р та R_в). Тепловий опір корпусу кондукцією R_к ми розглянули як зосереджений параметр, що не зовсім вірно. Фактично це є розподілений параметр. В зв’язку з чим умов найгіршого випадку опір R_к необхідно підєднати до схеми в кінці R_в, тобто:

Рис. 1.5.

Допустимо було б приєднати R_к в схемі перед R_в. Це при розрахунках дало б занижені значення температури θ₁ поверхні чипу. θ₁ – температура середовища.

Рис. 1.6.

Звичайно ІМС розміщають на друкованій платі таким чином, що площа ділянки плати є більшою ніж площа корпусу ІМС. При цьому тепло від виводів ІМС провідністю плати (опір кондукцією R_дк) приєднується до її поверхні, і далі із поверхні плати конвекцією (опір конвекцією R_де) передається в середовище.

На рис. 1.7. приведено розміщення ІМС на друкованій платі (ДП).

Рис. 1.7.

Приймаємо:

- товщину ДП = h_дп = 2 мм;

- теплопровідність λ_дп ≈ 70 Вт/(м·°С);

- площа S_дп = 18 см².

Для визначення наближеного значення опору R_дк визначимо еквівалентний периметра розміщення виводів, як:

а периметр друкованої плати:

Тоді:

Тепловий опір конвекцією R_дс між поверхнею пластин і середовищем:

де α_де – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією між друкованою платою і середовищем, значення якого в залежності від системи повітряного охолодження може складати від 2÷10 до 10÷150 Вт/м²·°С, що визначає значення R_дс від 139 до 1,9 °С/Вт.

Використовуючи рис. 1.6 складемо залежну еквівалентну схему.

Рис. 1.8.

Розглядаючи схему Рис. 1.8 і, виходячи із загального теплового рівняння θ₁ = P·R_∑+θ₂, слідує, що температура θ₁ визначається в основному опором R_дс і R_кс, а власне коефіцієнтом α_дс і α_кс, тобто системою охолодження.

Наприклад при α_дс = α_кс = 2 і P = 1 Вт, то

θ₁ = 20 + 94 ≈ 114 °С

Таким чином, при потужності Р не більше 1 Вт, та при наведеній конструкції, звичайна повітряна система охолодження забезпечить надійну роботу ІМС. Якщо потужність Р буде більшою або буде зменшено площу S_к або S_дп то можуть мати місце умови суттєвого перевищення температури чипу.