کاربرد سینک های گرمایی در صنعت نیمه هادی

سینک های حرارتی اجزای حیاتی در صنعت نیمه هادی هستند که نقش حیاتی در مدیریت عملکرد حرارتی و اطمینان از قابلیت اطمینان دستگاه های الکترونیکی ایفا می کنند. از آنجا که دستگاه های نیمه هادی همچنان به کوچک شدن اندازه در حالی که تراکم قدرت افزایش می یابد، مدیریت حرارتی موثر به سنگ اساسی طراحی الکترونیک مدرن تبدیل شده است. این مقاله تکنولوژی های پشت سینک های گرما، کاربردهای آنها در صنعت نیمه هادی و روند های آینده در این زمینه را بررسی می کند.

فناوری و کاربردهای سنک گرما

1. نمای کلی فناوری فرآیند

سینک های گرما برای از بین بردن گرما از یک سطح جامد طراحی شده اند، عمدتا از طریق هدایت و حمل و نقل. آنها معمولا از مواد با هدایت حرارتی بالا مانند آلومینیوم، مس یا ترکیبی از هر دو ساخته می شوند. فرآیندهای تولید شامل اکستروژن، ریخته گری، ماشینکاری و اخیراً تولید افزودنی برای هندسه های پیچیده است. درمان های سطحی مانند آنودیز یا پوشش مقاومت در برابر خوردگی و کارایی انتقال گرما را افزایش می دهد.

1.1 نکات عمومی

برای ارائه عملکرد مطلوب دستگاه های نیمه هادی ضروری است که از حداکثر دمای اتصال نشان داده شده توسط تولید کننده فراتر نرسید.

به طور کلی این حداکثر دمای اتصال تنها می تواند بدون تجاوز از آن با اجرای دستگاه مربوطه در خروجی های قدرت پایین تر حفظ شود.

در خروجی های نزدیک به حداکثر امتیازات، دستگاه های نیمه هادی باید توسط به اصطلاح گرمایش کننده ها خنک شوند.

عملکرد حرارتی این گرمایش کننده ها عمدتاً به هدایت حرارتی موادی که از آن ساخته شده اند، اندازه سطح و جرم بستگی دارد.

علاوه بر این، رنگ سطح، موقعیت نصب، دما، سرعت هوای محیط و محل نصب همه تاثیر متفاوتی بر عملکرد نهایی گرمایش کننده از یک برنامه به برنامه دیگر دارند.

هیچ روش استاندارد بین المللی برای آزمایش سیستم های خنک کننده الکترونیکی یا تعیین مقاومت حرارتی توافق نشده است.

1.2. تعیین مقاومت حرارتی

مقاومت حرارتی پارامتری است که مهم ترین در انتخاب خنک کننده است، به جز ملاحظات مکانیکی. برای تعیین مقاومت حرارتی معادله زیر اعمال می شود:

معادله ۱: RthK = − ( RthG + RthM ) = − RthGM

در صورت کاربردی که حداکثر دمای اتصال از دمای اتصال تجاوز نشود باید تایید شود.

هنگامی که دمای مورد اندازه گیری شده است، استفاده از معادله زیر اجازه می دهد تا حداکثر دمای اتصال محاسبه شود:

معادله ۲: θi = θG + P x RthG

معنی تعیین کننده ها:

θi = حداکثر دمای اتصال در درجه سانتیگراد دستگاه همانطور که توسط تولید کننده نشان داده شده است. به عنوان یک "عامل ایمنی" این باید 20-30 درجه سانتیگراد کاهش یابد.

θu = دمای محیط در درجه سانتیگراد.

افزایش دمای ناشی از گرمای تابش گرمایشگر باید با حاشیه 10-30 درجه سانتیگراد افزایش یابد.

Δθ = تفاوت بین حداکثر دمای اتصال و دمای محیط.

θG = دمای اندازه گیری شده در مورد دستگاه (معادله 2).

P = حداکثر قدرت دستگاه در [W] Rth = مقاومت حرارتی در [K / W]

RthG = مقاومت حرارتی داخلی دستگاه نیمه هادی (همانطور که توسط تولید کننده نشان داده شده است)

RthM = مقاومت حرارتی سطح نصب. برای موارد TO 3 مقادیر تقریبی زیر اعمال می شود:

1. خشک، بدون عایق 0.05 - 0.20 K / W

2. با ترکیب حرارتی / بدون عایق 0.005 - 0.10 K / W

3. وافر اکسید آلومینیوم با ترکیب حرارتی 0.20 - 0.60 K / W

4. وافر میکا (ضخامت 0.05 میلی متر) با ترکیب حرارتی 0.40 - 0.90 K / W

RthK = مقاومت حرارتی سنک گرما، که می تواند به طور مستقیم از نمودار ها گرفته شود

RthGM = مجموع RthG و RthM برای اتصالات موازی چندین ترانزیستور، مقدار RthGM را می توان با معادله زیر تعیین کرد:

معادله سوم: = + + . .. +

نتیجه را می توان به معادله 1 جایگزین کرد.

K = کلوین، که اندازه گیری استاندارد تفاوت دما است، در درجه سانتیگراد اندازه گیری می شود، بنابراین 1 درجه سانتیگراد = 1 K.

K/W = کلوین در وات، واحد مقاومت حرارتی.

نمونه های محاسبه:

1. ترانزیستور قدرت TO 3 با امتیاز 60 وات دارای حداکثر دمای اتصال 180 درجه سانتیگراد و مقاومت داخلی 0.6 K / W در محیط 40 درجه سانتیگراد با وافر های اکسید آلومینیوم است.

چه مقاومت حرارتی برای گرمایش لازم است؟

داده شده:

P = 60 W R thG = 0.6 K / W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (برای حاشیه ایمنی) RthM = 0.4 K/W (مقدار متوسط)

θu = 40 درجه سانتیگراد

پیدا کردن: RthK با استفاده از معادله 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0.6 K/W + 0.4 K/W) = 1.0 K/W

1.3 شرایط مشابه بالا اما برای سه دستگاه با امتیازات قدرت به طور مساوی توزیع شده است.

استفاده از معادله 1 و معادله 3 = + + = W / K RthGM GES. = K / W = 0.33 K / W

جایگزین در معادله 1 می دهد: RthK = _ 0.33 K / W = 1.67 K / W

با تعیین این مقادیر، جدول در صفحات A 13 - 17 می تواند برای انتخاب پروفایل های احتمالی گرمایش کننده استفاده شود. سپس با بررسی نقاشی ها و منحنی ها می توان انتخاب نهایی را انجام داد.

3. یک ترانزیستور با قدرت 50 وات و مقاومت حرارتی داخلی 0.5 K / W دارای دمای مورد 40 درجه سانتیگراد است. مقدار واقعی دمای اتصال چیست؟

داده شده:

P = 50 W R thG = 0.5 K / W θG = 40 درجه سانتیگراد

پیدا کردن: معادله θiusing 2

θi = θG+ (P • RthG) θi = 40 ° C + (50 W • 0.5 K / W) = 65 ° C

مقاومت های حرارتی هر پروفایل با حمل اجباری

RthKf ≈ یک • RthK

RthKf = مقاومت حرارتی با تحمل اجباری

RthK = مقاومت حرارتی با حمل و نقل طبیعی

A = فاکتور نسبت

عملکرد، عمر و قابلیت اطمینان دستگاه های نیمه هادی الکترونیکی به طور قابل توجهی توسط بار حرارتی که دستگاه ها در معرض آن قرار دارند تعیین می شود. تجاوز حداکثر دمای عملیاتی منجر به خرابی می شود. تجاوز دمای اتصال مجاز منجر به تخریب نیمه هادی می شود. برای بدتر کردن وضعیت، یک روند پیشرفته در صنعت نیمه هادی برای افزایش مداوم تراکم ادغام و قدرت دستگاه های الکترونیکی وجود دارد. برای حل مشکلات حرارتی اولین سوال این است که کدام نوع از تجزیه گرما باید در نظر گرفته شود. برای این کار فرآیندهای مختلفی در دسترس هستند: از طریق حمل آزاد (منفعل) با راه حل های مختلف گرمایش کننده، از طریق حمل اجباری (فعال با کمک فن ها، مجموعه های خنک کننده) یا از طریق رسانه های مایع (خنک کننده مایع).

با این حال، دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی دارای شرایط مرزی و نصب مختلف هستند. بنابراین انتخاب مدیریت حرارتی مطلوب اغلب دشوار است. مطمئناً امکانات پیدا کردن مفهوم تلف گرما مناسب با استفاده از مقاومت حرارتی برای محاسبات یا با آزمایش و تایید نمونه های اولیه مستقیماً در برنامه وجود دارد، اما امروزه تنظیمات مکانیکی مشخص شده توسط مشتری بیشتر از همیشه درخواست و خواست می شود. ماشینکاری های مکانیکی کوچک مانند نخ های یکپارچه اضافی یا حفاری می توانند در محاسبه با ذخایر ایمنی در دمای مقاومت حرارتی در نظر گرفته شوند، اما تغییرات گسترده ای نیاز به بازرسی مکرر شرایط حرارتی دارند.

عوامل در نظر گرفته شده در شبیه سازی حرارتی

با شبیه سازی حرارتی KINGKA، ویژگی های لازم مفهوم خنک کننده را می توان با دقت تعیین کرد. بر اساس مفاهیم فیزیکی مانند جرم، انرژی و نبض، این نرم افزار به طور خاص نیازهای حرارتی حمل و نقل طبیعی یا اجباری را در نظر می گیرد. در عین حال، سیستم گرما را از طریق مایع از بین می برد. علاوه بر این، شبیه سازی حرارتی اثرات فیزیکی مانند اشعه حرارتی و آشفتگی را محاسبه می کند. عوامل تشعشع سطوح مختلف نیز نقش دارند.

KINGKA خوشحال خواهد شد که به شما در مورد موضوع شبیه سازی حرارتی به طور دقیق توصیه کند. کارشناسان ما برای تمام مشاوره های فنی در اختیار شما هستند.

2.2 نقش در صنعت نیمه هادی

سینک های گرمایی نقش حیاتی در حفظ دمای اتصال در محدوده های ایمن، جلوگیری از فرار حرارتی و اطمینان از عملیات پایدار دارند. آنها برای محافظت از CPU ها، GPU ها، نیمه هادی های قدرت (IGBT ها، MOSFET ها) و سایر اجزای حساس به گرما در مدارهای یکپارچه و مونتاژ های الکترونیکی بسیار مهم هستند.

2.3 زمینه های کلیدی کاربرد

محاسبات با عملکرد بالا (HPC): برای خنک کردن پردازنده ها در ابر کامپیوترها و مراکز داده ضروری است.

· الکترونیک خودرو: اطمینان از قابلیت اطمینان انورتورهای وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم های ADAS و واحد های اطلاعات سرگرمی.

· مخابرات: عملکرد ایستگاه های پایه و روتر ها را تحت بار سنگین حفظ می کند.

3. نتیجه گیری

سینک های گرما برای توانایی صنعت نیمه هادی برای مدیریت افزایش بی پایان تولید گرما اساسی هستند. فناوری های طراحی و تولید آنها همچنان در حال تکامل هستند و تقاضای کاربردهای نوظهور را برآورده می کنند و در عین حال راه را برای راه حل های خنک کننده هوشمندتر و پایدار تر هموار می کنند. همانطور که صنعت مرزهای عملکرد و ادغام را افزایش می دهد، نقش مدیریت حرارتی موثر فقط در اهمیت افزایش خواهد یافت.