任何散熱解決方案的目標都是確保設(shè)備的工作溫度不超過其制造商規(guī)定的安全限值。在電子工業(yè)中,這個工作溫度被稱為器件的“結(jié)溫”。例如,在處理器中,這個術(shù)語字面上指的是電能轉(zhuǎn)換為熱量的半導體結(jié)。
為了保持工作,熱量必須以確保可接受的結(jié)溫的速率流出半導體。當熱流從整個器件封裝的結(jié)處移動時,這種熱流遇到阻力,就像電子在流過導線時面對電阻一樣。在熱力學方面,這種電阻稱為導電電阻,由幾個部分組成。從結(jié)點開始,熱量可以流向元件的殼體,可以放置散熱器。這被稱為ΘJC,或結(jié)至殼體的熱阻。熱量也可以從組件的頂部表面流出并流入板中。這被稱為結(jié)到電路板電阻,或ΘJB
ΘJB定義為當熱路徑僅從結(jié)點到電路板時,結(jié)點和電路板之間的溫差除以功率。為了測量ΘJB,器件的頂部是絕緣的,冷板連接到電路板邊緣(圖1)。這是真正的熱阻,這是器件的特性。唯一的問題是,在實際應用中,人們不知道從不同路徑傳輸了多少功率。
圖1:橫截面圖環(huán)形冷板RΘJB 2 。
ΨJB是使用多個傳熱路徑時的溫差的度量,例如組件的側(cè)面和頂部董事會。這些多路徑是實際系統(tǒng)中固有的,必須謹慎使用測量。
由于組件內(nèi)有多個傳熱路徑,單個電阻不能用于精確計算結(jié)溫。從結(jié)到環(huán)境的熱阻必須進一步細分為電阻網(wǎng)絡(luò),以提高結(jié)溫預測的精度。簡化的電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
圖2:結(jié)至環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)。
Joiner等人 1 完成的先前工作將ΘJMA與電路板溫度相關(guān)聯(lián)(見公式1)。 ΘJMA是在評估所有傳熱路徑時從結(jié)到環(huán)境的總熱阻。在這種情況下,ΘCA由散熱器熱阻以及器件和接收器之間的界面電阻表示。
表1列出了典型BGA組件的JEDEC參數(shù)。這些用于以下示例計算中:
ΘJMA=移動空氣熱阻的結(jié)點
ΘJB=結(jié)至電路板的熱阻
ΘJC=結(jié)至殼體的熱阻
ΘCA= Case環(huán)境熱阻
TBA =電路板溫升
參數(shù)說明值單位ΘJC熱電阻 -
結(jié)到外殼0.45°C/WΘJB熱阻 -
結(jié)至電路板2.6°C/W TDP熱設(shè)計功率20 W Tj最高結(jié)溫105°C
表1:典型熱封裝規(guī)格
隨著電路板布局變得越來越密集,需要設(shè)計出使用盡可能少空間的優(yōu)化散熱解決方案。簡而言之,沒有余量允許過度設(shè)計的散熱器具有緊密的元件間距。考慮板耦合的影響是這種優(yōu)化的重要部分。只有在考慮結(jié)殼到殼體的傳熱路徑時才存在使用超大尺寸散熱器的可能性。
為確保在55°C環(huán)境溫度下的105°C結(jié)溫,典型元件(見表1)需要2.05°C/W的散熱器電阻(如果忽略電路板導通)。當考慮電路板導通時,假設(shè)電路板溫度與空氣溫度相同,實際結(jié)溫可能低至74°C。這表示散熱片大于必要的溫度。
從這個例子可以看出,必須考慮來自元件連接點的所有傳熱路徑。僅使用ΘJC和ΘCA值可能導致大于最佳的散熱器,并且可能無法準確預測工作結(jié)溫。使用建議的相關(guān)性也可以預測從實驗中得知電路板溫度時的結(jié)溫,如圖3所示。
圖3:電路板溫度升高對結(jié)溫的影響。
當存在多個元件時,情況變得比僅使用電路板上的單個元件復雜得多。通過PCB的組件之間存在傳導耦合,以及組件和相鄰卡之間的輻射和對流耦合。圖4顯示了一個帶有兩個元件的簡單PCB。兩個元件的功耗假定為P1和P2,并且假設(shè)我們可以忽略輻射傳熱。每個器件下的電路板溫度分別為Tb1和Tb2。我們還假設(shè)電路板上兩個元件之間的橫向電阻為θb1b2。
圖4:具有兩個元件的PCB的簡單原理圖。
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