Η εφαρμογή των απορροφητών θερμότητας στη βιομηχανία ημιαγωγών

Οι απορροφητές θερμότητας είναι κρίσιμα συστατικά στη βιομηχανία ημιαγωγών, διαδραματίζοντας ζωτικό ρόλο στη διαχείριση της θερμικής απόδοσης και στη διασφάλιση της αξιοπιστίας των ηλεκτρονικών συσκευών. Καθώς οι συσκευές ημιαγωγών συνεχίζουν να συρρικνώνονται στο μέγεθος ενώ αυξάνονται στην πυκνότητα ισχύος, η αποτελεσματική θερμική διαχείριση έχει γίνει ακρογωνιαίος λίθος του σύγχρονου σχεδιασμού ηλεκτρονικών. Αυτό το άρθρο εξερευνά τις τεχνολογίες πίσω από τους απορροφητές θερμότητας, τις εφαρμογές τους στη βιομηχανία ημιαγωγών και τις μελλοντικές τάσεις στον τομέα αυτό.

Τεχνολογία και εφαρμογές απορροφητή θερμότητας

1. Επισκόπηση της τεχνολογίας διαδικασίας

Οι απορροφητές θερμότητας έχουν σχεδιαστεί για να διαπερνούν τη θερμότητα από μια στερεή επιφάνεια, κυρίως μέσω της αγωγής και της σύστρωσης. Συνήθως κατασκευάζονται από υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας όπως το αλουμίνιο, ο χαλκός ή ένας συνδυασμός και των δύο. Οι διαδικασίες κατασκευής περιλαμβάνουν εξώθηση, χύτευση, επεξεργασία και πιο πρόσφατα, προσθετική κατασκευή για σύνθετες γεωμετρίες. Οι επεξεργασίες επιφάνειας όπως η ανοδίωση ή η επένδυση ενισχύουν την αντοχή στη διάβρωση και την αποδοτικότητα μεταφοράς θερμότητας.

1.1 Γενικά σημεία

Για να εξασφαλιστεί η βέλτιστη απόδοση των ημιαγωγικών συσκευών είναι απαραίτητο να μην υπερβαίνει η μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης που αναφέρεται από τον κατασκευαστή.

Γενικά, αυτή η μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης μπορεί να διατηρηθεί μόνο χωρίς να την υπερβαίνει με την εκτέλεση της σχετικής συσκευής σε χαμηλότερες εξόδους ισχύος.

Στις εξόδους που πλησιάζουν τις μέγιστες τιμές, οι ημιαγωγικές συσκευές πρέπει να ψύχονται από τους λεγόμενους απορροφητές θερμότητας.

Η θερμική απόδοση αυτών των απορροφητών εξαρτάται κυρίως από τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού από το οποίο κατασκευάζονται, το μέγεθος της επιφάνειας και τη μάζα.

Επιπλέον, το χρώμα της επιφάνειας, η θέση τοποθέτησης, η θερμοκρασία, η ταχύτητα του περιβάλλοντος αέρα και ο τόπος τοποθέτησης έχουν ποικίλη επιρροή στην τελική απόδοση του απορροφητή θερμότητας από τη μία εφαρμογή στην άλλη.

Δεν υπάρχουν συμφωνημένες διεθνείς τυποποιημένες μεθόδους δοκιμής ηλεκτρονικών συστημάτων ψύξης ή προσδιορισμού της θερμικής αντίστασης.

1.2. Ο προσδιορισμός της θερμικής αντίστασης

Η θερμική αντίσταση είναι η πιο σημαντική παράμετρος στην επιλογή των ψυχρότερων, εκτός από μηχανικές εκτιμήσεις. Για τον προσδιορισμό της θερμικής αντίστασης εφαρμόζεται η ακόλουθη εξίσωση:

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

Σε περίπτωση εφαρμογής όπου η μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης δεν υπερβαίνει, η θερμοκρασία πρέπει να επαληθεύεται.

Όταν έχει μετρηθεί η θερμοκρασία της περίπτωσης, η χρήση της ακόλουθης εξίσωσης επιτρέπει τον υπολογισμό της μέγιστης θερμοκρασίας σύνδεσης:

Εισίσωση 2: θi = θG + P x RthG

Η σημασία των καθοριστικών στοιχείων:

θi = μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης σε °C της συσκευής όπως αναφέρεται από τον κατασκευαστή. Ως «παράγοντας ασφαλείας» αυτό πρέπει να μειωθεί κατά 20-30 °C.

θu = θερμοκρασία περιβάλλοντος σε °C.

Η αύξηση της θερμοκρασίας που προκαλείται από την ακτινοβολική θερμότητα του απορροφητή θερμότητας πρέπει να αυξηθεί κατά ένα περιθώριο 10-30°C.

Δθ = διαφορά μεταξύ μέγιστης θερμοκρασίας σύνδεσης και θερμοκρασίας περιβάλλοντος.

ΘG = μετρημένη θερμοκρασία της συσκευής (εξίσωση 2).

P = μέγιστη ονομαστική ισχύς της συσκευής σε [W] Rth = θερμική αντίσταση σε [K/W]

RthG = εσωτερική θερμική αντίσταση μιας ημιαγωγικής συσκευής (όπως αναφέρεται από τον κατασκευαστή)

RthM = θερμική αντίσταση της επιφάνειας τοποθέτησης. Για τις περιπτώσεις TO 3 ισχύουν οι ακόλουθες προσεγγίσεις:

1. στεγνό, χωρίς insulatar 0,05 - 0,20 K/W

2. με τη θερμική ένωση/χωρίς μόνωση 0,005 - 0,10 K/W

3. Οξείδιο αλουμινίου πλάκα με τη θερμική ένωση 0,20 - 0,60 K/W

4. Μίκα πλάκα (πάχος 0,05 mm) με τη θερμική ένωση 0,40 - 0,90 K/W

RthK = θερμική αντίσταση του απορροφητή θερμότητας, η οποία μπορεί να ληφθεί απευθείας από τα διαγράμματα

RthGM = άθροισμα RthG και RthM. Για παράλληλες συνδέσεις πολλών τρανσιστόρων η τιμή RthGM μπορεί να προσδιοριστεί με την ακόλουθη εξίσωση:

Εισίσωση 3: = + + . .. +

Το αποτέλεσμα μπορεί να αντικατασταθεί με την εξίσωση 1.

K = Kelvin, το οποίο είναι το τυποποιημένο μέτρο των διαφορών θερμοκρασίας, μετρημένο σε °C, επομένως 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin ανά watt, μονάδα θερμικής αντίστασης.

Παραδείγματα υπολογισμού:

1. Ένα τρανσίστορ ισχύος TO 3 με 60 watt έχει μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης 180 °C και εσωτερική αντίσταση 0,6 K/W σε περιβάλλον 40 °C με πλάκες οξειδίου αλουμινίου.

Ποια θερμική αντίσταση απαιτείται για τον απορροφητή θερμότητας;

δόθηκε:

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

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (για περιθώριο ασφαλείας) RthM = 0,4 K/W (μέση τιμή)

θu = 40 °C

βρείτε: RthK χρησιμοποιώντας την εξίσωση 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Οι ίδιες συνθήκες με τις παραπάνω, αλλά για τρεις συσκευές με ίση κατανομή ονομαστικής ισχύος.

εξίσωση 1 και εξίσωση 3 = + + = W/K RthGM γες. = Κ/W = 0,33 Κ/W

Η αντικατάσταση στην εξίσωση 1 δίνει: RthK = _ 0,33 Κ/Β = 1,67 Κ/Β

Με τις τιμές αυτές προσδιορισμένες, ο πίνακας στη σελίδα Α 13 - 17 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δώσει μια επιλογή πιθανών προφίλ απορροφητή θερμότητας. Στη συνέχεια, με την εξέταση των σχεδίων και των καμπύλων μπορεί να γίνει η τελική επιλογή.

3. Ένα τρανσίστορ με ονομαστική ισχύ 50 W και εσωτερική θερμική αντίσταση 0,5 K/W έχει θερμοκρασία περίπτωσης 40 °C. Ποια είναι η πραγματική τιμή της θερμοκρασίας σύνδεσης;

δόθηκε:

P = 50 W R thG = 0,5 K/W θG = 40 °C

find: θiusing εξίσωση 2

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

Θερμικές αντοχές οποιουδήποτε προφίλ με αναγκαστική διασκέφληση

RthKf ≈ α • RthK

RthKf = θερμική αντίσταση με εξαναγκαστική συρρόφηση

RthK = θερμική αντίσταση με φυσική διασκέφληση

α = παράγοντας αναλογίας

2.Η απόδοση, η διάρκεια ζωής και η αξιοπιστία των ηλεκτρονικών ημιαγωγικών συσκευών καθορίζονται σημαντικά από το θερμικό φορτίο στο οποίο εκτίθενται οι συσκευές. Η υπερβολή της μέγιστης θερμοκρασίας λειτουργίας οδηγεί σε δυσλειτουργίες. Η υπερβολή της επιτρεπόμενης θερμοκρασίας σύνδεσης οδηγεί σε καταστροφή του ημιαγωγού. Για να χειροτερέψει η κατάσταση, υπάρχει μια προοδευτική τάση στη βιομηχανία ημιαγωγών για τη συνεχή αύξηση της πυκνότητας ενσωμάτωσης και ισχύος ηλεκτρονικών συσκευών. Για την επίλυση θερμικών προβλημάτων το πρώτο ερώτημα είναι ποιο είδος διάσπαρσης θερμότητας πρέπει να ληφθεί υπόψη. Για αυτό υπάρχουν διαθέσιμες διαφορετικές διεργασίες: μέσω ελεύθερης μεταφοράς (παθητική) με διαφορετικές λύσεις απορροφητή θερμότητας, μέσω αναγκαστικής μεταφοράς (ενεργή με τη βοήθεια ανεμιστήρων, ψυκτικών συγκροτημάτων) ή μέσω υγρών μέσων (ψύξη υγρών).

Ωστόσο, οι ηλεκτρονικές συσκευές και συστήματα έχουν πολλές διαφορετικές συνθήκες ορίων και εγκατάστασης. Ως εκ τούτου, η επιλογή της βέλτιστης θερμικής διαχείρισης είναι συχνά δύσκολη. Υπάρχουν σίγουρα δυνατότητες να βρεθεί η σωστή έννοια διάσπαρσης θερμότητας χρησιμοποιώντας τη θερμική αντίσταση για υπολογισμούς ή δοκιμάζοντας και επαληθεύοντας πρωτότυπα απευθείας στην εφαρμογή, αλλά σήμερα απαιτούνται και απαιτούνται μηχανικές ρυθμίσεις που καθορίζονται από τον πελάτη περισσότερο από ποτέ. Μικρές μηχανικές μεταεπεξεργασίες, όπως πρόσθετα ενσωματωμένα νήματα ή γεώτρηση, μπορούν να ληφθούν υπόψη στον υπολογισμό με αποθέματα ασφαλείας στη θερμοκρασία της θερμικής αντίστασης, αλλά εκτεταμένες τροποποιήσεις απαιτούν επανειλημμένη επιθεώρηση των θερμικών συνθηκών.

Θεωρούμενοι παράγοντες στη θερμική προσομοίωση

Με τη θερμική προσομοίωση KINGKA, μπορούν να προσδιοριστούν με ακρίβεια τα απαραίτητα χαρακτηριστικά της έννοιας ψύξης. Με βάση φυσικές έννοιες όπως η μάζα, η ενέργεια και η ώθηση, το λογισμικό εξετάζει συγκεκριμένα τις θερμικές απαιτήσεις της φυσικής ή αναγκαστικής συρροής. Ταυτόχρονα, το σύστημα διαπερνά τη θερμότητα μέσω του υγρού. Επιπλέον, η θερμική προσομοίωση υπολογίζει φυσικές επιπτώσεις όπως η θερμική ακτινοβολία και η αναταραχή. Οι παράγοντες ακτινοβολίας διαφορετικών επιφανειών παίζουν επίσης ρόλο.

Η KINGKA θα είναι στην ευχάριστη θέση να σας συμβουλέψει λεπτομερώς σχετικά με το θέμα της θερμικής προσομοίωσης. Οι ειδικοί μας είναι στη διάθεσή σας για όλες τις τεχνικές συμβουλές.

2.2 Ρόλος στη βιομηχανία ημιαγωγών

Οι απορροφητές θερμότητας διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στη διατήρηση των θερμοκρασιών σύνδεσης εντός ασφαλών ορίων, στην πρόληψη της θερμικής διαρροής και στη διασφάλιση σταθερής λειτουργίας. Είναι ζωτικής σημασίας για την προστασία των CPU, των GPU, των ημιαγωγών ισχύος (IGBT, MOSFET) και άλλων εξαρτημάτων ευαίσθητων στη θερμότητα εντός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και ηλεκτρονικών συναρμολογήσεων.

2.3 Βασικοί τομείς εφαρμογής

Υψηλής απόδοσης υπολογιστών (HPC): απαραίτητη για την ψύξη επεξεργαστών σε υπερυπολογιστές και κέντρα δεδομένων.

· Ηλεκτρονικά αυτοκινήτων: εξασφαλίζει την αξιοπιστία των μετατροπέων ηλεκτρικών οχημάτων, των συστημάτων ADAS και των μονάδων πληροφορικής ψυχαγωγίας.

· Τηλεπικοινωνίες: Διατηρεί την απόδοση των σταθμών βάσης και των δρομολογητών υπό βαρύ φορτίο.

3. Συμπέρασμα

Οι απορροφητές θερμότητας είναι θεμελιώδεις για την ικανότητα της βιομηχανίας ημιαγωγών να διαχειριστεί την αδιάκοπη αύξηση της παραγωγής θερμότητας. Οι τεχνολογίες σχεδιασμού και κατασκευής συνεχίζουν να εξελίσσονται, αντιμετωπίζοντας τις απαιτήσεις των αναδυόμενων εφαρμογών, ανοίγοντας παράλληλα τον δρόμο για πιο έξυπνες και πιο βιώσιμες λύσεις ψύξης. Καθώς η βιομηχανία ωθεί τα όρια της απόδοσης και της ενσωμάτωσης, ο ρόλος της αποτελεσματικής θερμικής διαχείρισης θα αυξηθεί μόνο σε σημασία.