דיון במושגים של פיזור חום שבב ויצירת חום

    מאמר זה דן בעיקר במושגים של פיזור/חימום חום שבב, התנגדות תרמית, עליית טמפרטורה ועיצוב תרמי.

חימום ואיבוד שבב

אובדן ההספק של השבב, מצד אחד, מתייחס להבדל בין הספק הכניסה האפקטיבי להספק המוצא, הנקרא הספק מפוזר. חלק זה של ההפסד יומר לשחרור חום. ייצור חום אינו דבר טוב, והוא יפחית את אמינות הרכיבים והציוד. זה יגרום נזק רציני לשבב.

כוח פיזור, יהיה פרמטר זה ב-SPEC של כמה שבבים, המתייחס לפיזור ההספק המרבי המותר, פיזור ההספק והחום תואמים, ככל שפיזור ההספק המותר גדול יותר, טמפרטורת הצומת המקבילה תהיה גדולה יותר.

מצד שני, צריכת החשמל של שבב מתייחסת לכמות האנרגיה שצורך ציוד חשמלי ליחידת זמן, והיחידה היא W, כמו מזגן של 2000W וכן הלאה.

עמידות תרמית ועליית טמפרטורה

כולנו מכירים פתגם: שלג לא מתקרר ושלג הופך קר. זהו תהליך פיזי. שלג הוא תהליך של דה-סובלימציה ואקסותרמיה, והפשרת שלג היא תהליך של התכה וקליטת חום. עליית הטמפרטורה של השבב היא ביחס לטמפרטורת הסביבה (25 מעלות), ולכן יש להזכיר את הרעיון של התנגדות תרמית.

התנגדות תרמית מתייחסת ליחס בין הפרש הטמפרטורה בשני קצוות האובייקט לבין הספק של מקור החום כאשר חום מועבר על האובייקט, והיחידה היא מעלות /W או K/W. כפי שמוצג באיור למטה, כאשר שבב מולחם על PCB, ישנם שלושה נתיבים עיקריים של פיזור חום לשבב, התואמים לשלוש התנגדויות תרמיות.

1. ההתנגדות התרמית מהחלק הפנימי של השבב למעטפת ולפינים - השבב קבוע ולא ניתן לשינוי.

2. ההתנגדות התרמית מפיני השבבים ללוח ה-PCB - נקבעת על ידי הלחמה טובה ולוח PCB.

3. ההתנגדות התרמית ממכסת השבב לאוויר - נקבעת לפי גוף הקירור והחלל ההיקפי של השבב. פרמטרי התנגדות תרמית של שבב מוליכים למחצה

Ta היא טמפרטורת הסביבה, Tc היא טמפרטורת פני השטח, ו- Tj היא טמפרטורת הצומת. Θja: התנגדות תרמית בין טמפרטורת הצומת (Tj) לטמפרטורת הסביבה (Ta). Θjc: התנגדות תרמית בין טמפרטורת הצומת (Tj) וטמפרטורת פני השטח של המארז (Tc). Θca: התנגדות תרמית בין טמפרטורת פני המארז (Tc) לבין טמפרטורת הסביבה (Ta).

נוסחת החישוב של התנגדות תרמית היא: Θja=(Tj-Ta)/Pd → Tj=Ta פלוס Θja*Pd כאשר Θja*Pd היא עליית הטמפרטורה, שניתן לקרוא לה גם הערך הקלורי .

1. בתנאי של התנגדות תרמית קבועה, ככל שצריכת החשמל Pd קטנה יותר, כך הטמפרטורה תהיה נמוכה יותר.

2. במקרה של צריכת חשמל מסוימת, ככל שההתנגדות התרמית קטנה יותר, כך טובה יותר, וככל שההתנגדות התרמית קטנה יותר, פיזור החום טוב יותר.

שגיאות חישוב טמפרטורת צומת

אנשים רבים משתמשים בנוסחה זו כדי לחשב את טמפרטורת הצומת: Tj=Ta פלוס Θja*Pd, המופיע בתיעוד של TI, אך הוא אינו מדויק.

המשמעות הכללית היא ש-Θja היא פונקציה רב-משתנית, שאינה יכולה לשקף את המצב האמיתי של השבב המולחם על ה-PCB, ויש לה מתאם חזק עם עיצוב ה-PCB וגודל ה-Chip/Pad. ככל שגורמים אלה משתנים, הערך של Θja ישתנה גם הוא. יש הבדל גדול בין יצרני שבבים הבודקים את Θja לבין השימוש בפועל שלנו, ולכן הוא משמש לחישוב טמפרטורת הצומת, והשגיאה תהיה גדולה.

להתנגדות התרמית Θja יש מתאם חזק עם פרמטרים אלה

במקביל, השתמש בנוסחה Tj=Tc בתוספת Θjc*Pd כדי למדוד את הטמפרטורה Tc של מעטפת השבב עם מצלמת אינפרא אדום, ואז חישוב Tj אינו מדויק במיוחד. Θja ו- Θjc שניתנו על ידי היצרן עשויים להיות יותר עבורנו כדי להעריך את הביצועים התרמיים של השבב ולהשוות אותו עם שבבים אחרים.

בפרמטרים של כמה שבבים, יהיו ΨJT ו-ΨJB. שני הפרמטרים הללו אינם התנגדות תרמית אמיתית. השיטה בה משתמשים יצרני השבבים לבדיקת ΨJT ו- ΨJB קרובה מאוד לסביבת היישום של המכשיר בפועל, כך שניתן להשתמש בה כדי להעריך את טמפרטורת הצומת. היא מאומצת גם על ידי התעשייה, וניתן לראות ששני הפרמטרים הללו קטנים מ- Θja ו- Θjc, כך שתחת אותה צריכת חשמל, טמפרטורת הצומת המחושבת על ידי Θja גבוהה מהטמפרטורה בפועל.

ΨJT מתייחס לצומת לראש החבילה, הפרמטר מהצומת למעטפת החבילה, נוסחת החישוב היא Tj=Tc בתוספת ΨJT*Pd, Tc היא טמפרטורת מעטפת השבב. ΨJB, מתייחס לפרמטרים של חיבור ללוח, חיבור ללוח PCB, נוסחת החישוב היא: Tj=Tb בתוספת ΨJB*Pd, Tb היא הטמפרטורה של לוח ה-PCB.

ניתן להשתמש ב-ΨJT ו-ΨJB כדי לחשב את טמפרטורת הצומת

עיצוב תרמי

התכנון התרמי זהה לבעיית ה-EMC, עדיף לפתור אותה בשלב מוקדם, אחרת התיקון המאוחר יהיה מאוד בעייתי. בשלב המוקדם של התכנון, מתחשבים במבנה, בערימת ה-PCB, הפריסה, העיטור וכדומה, ובשלב מאוחר יותר מתחשבים בחומרי פיזור החום.