Hoe de temperatuur laag te houden: radiatorselectie en toepassingsbasis
De meeste elektronische componenten, vooral microprocessors en microcontrollers, blijven in thermische dichtheid toenemen als gevolg van de voortdurende krimp van hun grootte. Aangezien de levensverwachting, betrouwbaarheid en prestaties omgekeerd evenredig zijn met de bedrijfstemperatuur van het apparaat, is het resultaat van deze evolutie dat thermisch ontwerp en beheer een belangrijk ontwerpprobleem zijn geworden. Daarom is het de verantwoordelijkheid van de ontwerper' om een duidelijk begrip te hebben van effectief thermisch beheer en beschikbare radiatoroplossingen om de bedrijfstemperatuur van de apparatuur binnen het bereik te houden dat is ingesteld door de leverancier.
Het werkingsprincipe van de radiator is om het oppervlak van het apparaat dat aan de koelvloeistof (lucht) wordt blootgesteld, te vergroten. Als de radiator correct is geïnstalleerd, kan deze de temperatuur van de apparatuur verlagen door de overdracht van warmte over de vaste-luchtgrens naar de koelere omgevingslucht te verbeteren.
Dit artikel schetst de keuze van het koellichaam en biedt richtlijnen voor het juiste ontwerp, de keuze van componenten en best practices om uitstekende thermische prestaties te bereiken. Het beschrijft ook de radiatoroplossing van Ohmite' als voorbeeld. De meeste elektronische componenten, vooral microprocessors en microcontrollers, blijven in thermische dichtheid toenemen als gevolg van de voortdurende krimp van hun grootte. Aangezien de levensverwachting, betrouwbaarheid en prestaties omgekeerd evenredig zijn met de bedrijfstemperatuur van het apparaat, is het resultaat van deze evolutie dat thermisch ontwerp en beheer een belangrijk ontwerpprobleem zijn geworden. Daarom is het de verantwoordelijkheid van de ontwerper' om een duidelijk begrip te hebben van effectief thermisch beheer en beschikbare radiatoroplossingen om de bedrijfstemperatuur van de apparatuur binnen het bereik te houden dat is ingesteld door de leverancier.
Het werkingsprincipe van de radiator is om het oppervlak van het apparaat dat aan de koelvloeistof (lucht) wordt blootgesteld, te vergroten. Als de radiator correct is geïnstalleerd, kan deze de temperatuur van de apparatuur verlagen door de overdracht van warmte over de vaste-luchtgrens naar de koelere omgevingslucht te verbeteren.
Dit artikel schetst de keuze van het koellichaam en biedt richtlijnen voor het juiste ontwerp, de keuze van componenten en best practices om uitstekende thermische prestaties te bereiken. Het beschrijft ook de radiatoroplossing van Ohmite' als voorbeeld.
Het vermogen in een geïntegreerde schakeling (IC) wordt gedissipeerd in de vorm van warmte van de actieve transistorovergang en de temperatuur van de junctie is evenredig met het gedissipeerde vermogen. De fabrikant specificeert de maximale junctietemperatuur, maar deze ligt over het algemeen rond de 150°C. Overschrijding van deze junctietemperatuur zal over het algemeen schade aan het apparaat veroorzaken, dus de ontwerper moet manieren vinden om zoveel mogelijk warmte van het IC over te dragen. Om dit te doen, kunnen ze vertrouwen op een vrij eenvoudig model om de warmtestroom te meten. Dit model is vergelijkbaar met de elektrische berekening van de wet van Ohm, gebaseerd op het concept van thermische weerstand, met het symbool θ.
Thermische weerstand verwijst naar de weerstand die wordt ondervonden wanneer warmte van het ene medium naar het andere stroomt. De eenheid is Celsius/Watt (°C/W), die als volgt wordt gedefinieerd:
in:
θ is de thermische weerstand over de thermische barrière in ℃/W. ∆T is het temperatuurverschil over de thermische barrière in ℃.
P is het vermogen dat door het knooppunt wordt gedissipeerd, in watt. Van de fysieke lay-out van het IC en het koellichaam zijn er veel thermische interfaces. De eerste is tussen de junctie en de behuizing van de IC en wordt weergegeven door de thermische weerstand θjc.
Het koellichaam is aan het IC gehecht met behulp van thermisch interfacemateriaal (TIM) zoals thermische pasta of thermische tape om de thermische geleidbaarheid tussen de twee apparaten te verbeteren. Deze warmtegeleidende laag heeft over het algemeen een zeer lage thermische weerstand, die deel uitmaakt van de thermische weerstand van de schaal naar het koellichaam en wordt weergegeven door θcs. Het laatste niveau is de interface tussen de radiator en de omgeving, aangeduid met θsa.
Thermische weerstand is als weerstanden in elektronische circuits, die in serie zijn geschakeld. De som van alle thermische weerstanden is de totale thermische weerstand van de overgang naar de omgevingslucht.
Over het algemeen specificeren IC-leveranciers impliciet of expliciet de thermische weerstand van junction tot case. Deze specificatie kan worden geleverd in de vorm van een maximale temperatuur van de behuizing, waardoor een van de thermische weerstandselementen wordt geëlimineerd. De ontwerper van het applicatie-IC heeft geen controle over de thermische weerstandskarakteristieken van de verbinding met de behuizing. De ontwerper kan echter de TIM- en koellichaamfuncties selecteren om het IC volledig te koelen en de junctietemperatuur onder de gespecificeerde maximumtemperatuur te houden. Over het algemeen geldt: hoe kleiner de thermische weerstand van de TIM en het koellichaam, hoe lager de temperatuur van de behuizing van het te koelen IC.
Vanuit het oogpunt van warmteafvoer is het kiezen van een radiator relatief eenvoudig. Zoals hierboven vermeld, biedt het koellichaam van de Ohmite BG-serie een haalbare oplossing voor het koelprobleem van IC's in BGA-pakketten.
