SamsPcbCalc第2部分:PCB可以散发多少热量?

随着元件基础的改进,越来越少的能量进入热量:处于断开状态的晶体管的电阻减小,脉冲电压转换器的频率增加。但是不能避免当前半导体范式中的散热问题,生产率的提高和集成度的提高已经导致放热密度的限制。对于热损失功率大于1 W的微电路,热问题的重要性不亚于电气问题。我需要散发热量吗?还是为芯片使用散热器?要回答这些问题,不一定总是需要使用FEM来模拟热问题。在本文中,我们考虑了足够灵活的模型,该模型可让您快速准确地初步评估板对环境的热阻。





热问题的重要性可以在说拇指的简化规则可以看出,10的每一个温度升高Ç时间缩短2倍到故障。也就是说,如果芯片的温度为55 则将持续10年;如果芯片上的温度为65,则大约只有5个论点。该规则远非最终真理,但从质上讲是正确的(例如,您可以在此处阅读更多内容)。



散热器的组织几乎始终是使布线复杂化的开销过程,因此必须事先进行计划。为此,您需要了解印刷电路板本身是否可以处理散热器。芯片制造商在文档中指出了晶体介质的热阻RθJA这似乎:





估计已经准备好了。但这很不礼貌,非常不礼貌。热阻高度依赖于PCB。所指示的是在标准印刷电路板上进行的一项实验中获得的(例如,如图1所示),这很可能与您所得到的完全不同。假设您在较小的区域中可以获得更好的散热效果。





值得注意的是管芯对板的热阻RθJBRθJC(底部)。这是不依赖于开发人员的事情,它是由主体及其内部设计决定的。但是在这里,最常见的情况是,机箱的选择取决于散热能力,而主要的温差将在板上。因此,我们将上述公式重写为通过板的散热情况,如下所示:





其中RθBA是具有给定参数的印刷电路板的热阻。您可以基于一个漂亮的模型来计算该电阻,模型可以从安森美半导体的精彩文章中提取。实际上,本文不是分步说明,而是模型的草图。我必须阅读10次才能得出修改后的模型,最终我在SamsPcbLab平台上的计算器中实现了该模型。计算基于清晰的数学模型(在此进行描述)在同一个安森美半导体的出版物中)关于均匀环的热问题,通过该均匀环的内表面追逐了热通量。散热是由于对流引起的,也就是说,这与真空无关(需要将热量传递到外壳上)。图2中的问题示意图,微分方程及其引起我们关注的部分解决方案如下:







该方程式的一切都很好(修正的Bessel函数除外),并且可以解决一个具有对流的表面(去除根部的“ 2”),但是只有板通常没有径向对称且不均匀,而且沿内部的热量分布不均半径。所以你需要适应。前两个问题通过将环形区域划分为具有相同面积的均质特性来解决。为了解决后者,您需要建立热阻电路的近似模型。图3显示了原始文章中建议的内容。建议将电路板分为三个区域:微电路下方的区域,外层具有多边形的区域以及内层仅具有多边形的区域。仅考虑直接连接到微电路的导体(有条件的是“振铃”)。



建议对上下多边形进行平均,并取平均金属化面积。我并不完全同意这一点,因为这些层对散热的影响明显不同,而且它们的面积可能相差很大(较低的层通常会更大)。因此,我将电路板分为上下两半,分别对每个部分进行了计算。



本文包含许多受各种参数影响的图形,查看它们很有用。我在这些图上校准了拆分电路板的方法(图4)-它们分别用于QFN5X5,QFN6X6和QFN3X3封装。当电路板很大时,图形“落在”与通孔热阻相关的极限上,但未指定其参数。我的直径为450微米,壁厚为20微米,没有填充。









可以看出,这些模型是相关的,但是由于所有输入数据仍然缺失,因此我没有尝试实现100%的重合。此外,通孔会出现一个奇怪的时刻(图5),它们的缺失实际上不会影响热阻,这不是很直观。





即使在图4的下部图形中,您也可以看到两行数据,其中我通过两种方法对两区域模型进行了计数:如AND8222 / D中所述使用矩阵乘法,如图3所示使用模型,仅丢弃微电路下方的区域(无助于抵抗)。可以看出,该文章的图形近似于相同的渐近线,好像没有过孔的影响一样。考虑到通孔的影响(或者我不了解某些情况),这对我来说成为他们的模型出现问题的另一个因素。



事实证明,该计算器至少在某种意义上是有用的,它使从有关各种参数影响的定性观念转变为定量估计成为可能。可以得出结论,板的热阻可以驱动到10 oC / W即使具有自然对流。对于功耗,2-3 W就足够了。另一个有用的注意事项是,只有直接连接到微电路的金属才在散热器中起重要作用。当然,尽管板上铜的体积分数越大,有效的热导率就越高。在此计算器的基础上,您可以增加微电路上的散热器和外壳的散热器,我也将这样做。如果有有趣的事情,我将在接下来的出版物中分享。



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