יישום פוילי חום בתעשיית חצי מוליכים

שוואי חום הם רכיבים קריטיים בתעשיית המוליכים למחצית, ומשחקים תפקיד חיוני בניהול ביצועים תרמיים ובהבטחת אמינות המכשירים האלקטרוניים. ככל שמכשירי חצי מוליכים ממשיכים להתכווץ בגודל תוך הגדלה בצפיפות הכוח, ניהול תרמי יעיל הפך לאבן פינה של עיצוב אלקטרוניקה מודרנית. מאמר זה חוקר את הטכנולוגיות מאחורי שוואי החום, היישומים שלהם בתעשיית חצי מוליכים, ומגמות עתידיות בתחום זה.

טכנולוגיה ויישומים של חום

1. סקירה כללית של טכנולוגיית התהליך

שוואי חום נועדו לפזר חום משטח מוצק, בעיקר באמצעות מוליכה וקונווקשיה. הם בנויים בדרך כלל מחומרים עם מוליכות תרמית גבוהה כגון אלומיניום, נחושת או שילוב של שניהם. תהליכי ייצור כוללים אקסטרוזיה, ליהוק, עיבוד, ולאחרונה, ייצור תוסף לגיאומטריות מורכבות. טיפולי פני השטח כמו אנודיזיה או ציפוי משפרים את עמידות הקורוזיה ואת יעילות העברת החום.

1.1 נקודות כלליות

על מנת לספק ביצועים אופטימליים של מכשירי חצי מוליכים חיוני לא לעלות על טמפרטורת הצומת המקסימלית המצוינת על ידי היצרן.

בדרך כלל ניתן לשמור על טמפרטורת הצומת המקסימלית הזאת רק מבלי לעבור עליה על ידי הפעלת המכשיר הנוגע ביציאות כוח נמוכות יותר.

בפלטים המתקרבים לדירוגים המקסימומיים, מכשירי חצי מוליכים חייבים להיות מקררים על ידי מה שנקרא שוואי חום.

הביצועים התרמיים של מיטחי החום הללו תלויים בעיקר במובילות התרמית של החומר ממנו הם עשויים, בגודל שטח השטח והמסה.

בנוסף, צבע פני השטח, מיקום ההתקנה, טמפרטורה, מהירות האוויר הסביבתי ומקום ההתקנה כולם משפיעים על הביצועים הסופיים של שווא החום מיישום אחד לאחר.

אין שיטות סטנדרטיות בינלאומיות מוסכמות לבדיקת מערכות קירור אלקטרוניות או לקביעת ההתנגדות התרמית.

1.2. קביעת התנגדות תרמית

התנגדות תרמית היא הפרמטר החשוב ביותר בבחירה קרירה יותר, מלבד שיקולים מכניים. לקביעת ההתנגדות התרמית חלה המשוואה הבאה:

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

במקרה של יישום שבו טמפרטורת הצומת המקסימלית לא עולה על הטמפרטורה חייבת להיות מאומדת.

כאשר טמפרטורת המקרה נמדדה, השימוש במשוואה הבאה יאפשר לחשב את טמפרטורת הצומת המקסימלית:

משוואה 2: θi = θG + P x RthG

המשמעות של המקבעים:

θi = טמפרטורת הצומת המקסימלית ב°C של המכשיר כפי שמצביע היצרן. כגורם בטיחות יש להפחית את זה ב-20-30 מעלות צלזיוס.

θu = טמפרטורת הסביבה ב °C.

העלייה בטמפרטורה שנגרמה על ידי חום קרינה של שווא החום צריכה להיות מוגברת על ידי שול של 10-30 ° C.

Δθ = ההבדל בין טמפרטורת הצומת המקסימלית לטמפרטורת הסביבה.

θG = טמפרטורה ממודדת של מקרה המכשיר (משוואה 2).

P = כוח מקסימלי של המכשיר ב [W] Rth = התנגדות תרמית ב [K/W]

RthG = התנגדות תרמית פנימית של מכשיר חצי מוליך (כפי שמצביע היצרן)

RthM = התנגדות תרמית של פני השטח. עבור TO 3 מקרים חלים הערכים המשוערים הבאים:

1. יבש, ללא insulatar 0.05 - 0.20 K / W

2. עם תרכובת תרמית / ללא בידוד 0.005 - 0.10 K / W

3. וופל חמצן אלומיניום עם תרכובת תרמית 0.20 - 0.60 K / W

4. וופל מיקה (עובי 0.05 מ"מ) עם תרכובת תרמית 0.40 - 0.90 K / W

RthK = התנגדות תרמית של שווא החום, שניתן לקחת ישירות מהתרשים

RthGM = סכום של RthG ו-RthM. עבור חיבורים מקבילים של מספר טרנזיסטורים ניתן לקבוע את ערך RthGM על ידי המשוואה הבאה:

משוואה 3: = + + . .. +

ניתן להחליף את התוצאה במשוואה 1.

K = קלווין, שהוא המדידה הסטנדרטית של הבדלי טמפרטורה, שנמדד ב°C, ולכן 1°C = 1 K.

K/W = קלווין לוואט, יחידת ההתנגדות התרמית.

דוגמאות לחישוב:

1. טרנזיסטור כוח ל-3 עם דירוג 60 וואט יש טמפרטורת צומת מקסימלית של 180 ° C והתנגדות הפנימית של 0.6 K / W בסביבה של 40 ° C עם וופרי חמצן אלומיניום.

איזו התנגדות תרמית נדרשת עבור ביור החום?

נתן:

P = 60 W R thG = 0.6 K/W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (עבור שול בטיחות) RthM = 0.4 K/W (ערך ממוצע)

θu = 40 מעלות צלזיוס

למצוא: RthK באמצעות משוואה 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0.6 ק"ו + 0.4 ק"ו) = 1.0 ק"ו

1.3 אותם תנאים כמו לעיל אך עבור שלושה מכשירים עם דירוגי כוח מופצים באופן שווה.

משוואה 1 ומשוואה 3 = + + = W / K RthGM ges. = K/W = 0.33 K/W

תחליף למשוואה 1 נותן: RthK = _ 0.33 ק"מ = 1.67 ק"מ

עם קביעת הערכים האלה, ניתן להשתמש בטבלה בדף A 13 - 17 כדי לתת בחירה של פרופילים אפשריים של חום. לאחר מכן על ידי בדיקת הציורים והעקומות ניתן לבצע את הבחירה הסופית.

3. טרנזיסטור עם כוח דירוג של 50 וו והתנגדות התרמית הפנימית של 0.5 K / W יש טמפרטורת מקרה של 40 ° C. מהו הערך האמיתי של טמפרטורת הצומת?

נתן:

P = 50 W R thG = 0.5 K/W θG = 40 °C

find: משוואה 2

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

התנגדויות תרמיות של כל פרופיל עם קנוועקציה בכפייה

RthKf ≈ א • RthK

RthKf = התנגדות תרמית עם קנוועקשיה בכפייה

RthK = התנגדות תרמית עם קוונווקשיה טבעית

A = גורם הפרופורציה

2.ביצועים, חיי שירות ואמינות של מכשירי חצי מוליכים אלקטרוניים נקבעים באופן משמעותי על ידי העומס התרמי שהמכשירים נחשפים לו. הגברת טמפרטורת הפעלה המקסימלית מובילה לפגיעות. הגברת טמפרטורת הצומת המותרת מובילה להרס של המוליך למחצה. כדי להחמיר את המצב, יש מגמה מתקדמת בתעשיית המוליכים למחצית להגדלת צפיפות האינטגרציה והכוח של מכשירים אלקטרוניים. לפתרון בעיות תרמיות השאלה הראשונה היא איזה סוג של פיסוי חום יש לשקול. לשם כך קיימים תהליכים שונים זמינים: באמצעות קונוקשיה חופשית (פסיבית) עם פתרונות שוואי חום שונים, באמצעות קונוקשיה בכפייה (פעילה בעזרת מאווררים, אגראטי קירור) או באמצעות מדיה נוזלית (קירור נוזל).

עם זאת, למכשירים ומערכות אלקטרוניות יש תנאי גבול ותנאי התקנה שונים רבים. לכן הבחירה של ניהול תרמי אופטימלי היא לעתים קרובות קשה. בהחלט יש אפשרויות למצוא את מושג הפיסת החום הנכון באמצעות התנגדות התרמית לחישובים או על ידי בדיקת ואמת אב טיפוסים ישירות ביישום, אבל כיום התאמות מכניות מפורטות על ידי הלקוח מבקשות ודורשות יותר מתמיד. ניתן לקחת בחשבון עבודות מאוחר מכניות קטנות, כגון חוטים משולבים נוספים או קידוח בחישוב עם מאגרי בטיחות בטמפרטורת ההתנגדות התרמית, אך שינויים נרחבים דורשים בדיקה חוזרת ושוב על הנסיבות התרמיות.

גורמים שנחשבו בסימולציה תרמית

עם סימולציה תרמית של KINGKA, ניתן לקבוע במדויק את המאפיינים הדרושים של מושג הקירור. בהתבסס על מושגים פיזיים כגון מסה, אנרגיה ודחף, התוכנה מתייחסת במיוחד לדרישות התרמיות של קנוועקשיה טבעית או כפויה. במקביל, המערכת מפיזרת חום דרך הנוזל. בנוסף, סימולציה תרמית מחשבת השפעות פיזיות כגון קרינה תרמית ומעורבות. גורמי הקרינה של משטחים שונים גם משחקים תפקיד.

KINGKA ישמח לייעץ לך בפרט על הנושא סימולציה תרמית. המומחים שלנו זמינים לרשותך לכל ייעוץ טכני.

2.2 תפקיד בתעשיית חצי מוליכים

שוואי חום משחקים תפקיד חיוני בשמירה על טמפרטורות הצומת בתוך גבולות בטוחות, למנוע ברחה תרמית, ולהבטיח תפעול יציב. הם חיוניים להגנה על מערכי המעבד, GPUs, חצי מוליכי כוח (IGBTs, MOSFETs), ורכיבים רגישים לחום אחרים בתוך מעגלים משולבים ורכבות אלקטרוניות.

2.3 תחומי יישום מרכזיים

· מחשב ביצועים גבוהים (HPC): חיוני למעבדי קירור במחשבים עלים ומרכזי נתונים.

· אלקטרוניקה רכב: מבטיח אמינות של מנגנים רכבים חשמליים, מערכות ADAS ויחידות מידע ובידור.

· תקשורת: שומר על הביצועים של תחנות בסיס ונתבים תחת עומס כבד.

3. מסקנה

שוואי חום הם יסודיים ליכולת תעשיית המוליכים למחצית לנהל את הגידול הבלתי מפסיק בייצור החום. טכנולוגיות העיצוב והייצור שלהם ממשיכות להתפתח, מתמודדות עם דרישות היישומים המתעוררים תוך סליחת הדרך לפתרונות קירור חכמים יותר וקיימים יותר. ככל שהתעשייה דוחפת את גבולות הביצועים והאינטגרציה, תפקיד ניהול תרמי יעיל רק יגדל בחשיבות.