ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ / Розанов Ю.К. Электрические и электронные аппараты / glava_8
чии смазки и без нее для типовых корпусов полупроводниковых приборов [81].
Охладители имеют различное конструктивное исполнение, которое зависит от многих факторов и, в первую очередь, от способа отвода от него тепла.
Наиболее распространенным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение – конвекция. Охладители в этом случае должны обладать площадью, с поверхности которой передается тепло в окружающую среду потоком воздуха, который возникает под воздействием разности плотностей холодного и теплого (у поверхности охладителя) воздуха. Одновременно здесь имеет место теплопередача путем теплового излучения. Для повышения ее эффективности охладители обычно подвергаются ” чернению” и имеют темную поверхность. Простейшим охладителем для отвода малых потерь мощности (единиц ватт) могут быть обычные металлические пластины, на которых монтируется прибор. Тепловое сопротивление такого охладителя в виде плоской прямоугольной пластины может быть определено из следующего соотношения при температуре окружающей среды 45 °С:
C f 0,25 + 650 S C f ,
ãäå λ – коэффициент теплопроводности охладителя, Вт/(°C.см); d – толщина охладителя, см; S – площадь поверхности, см 2 ; C f – поправочный коэффициент, учитывающий состояние поверхности и расположение в пространстве охладителя.
Значения λ при T = (273–350) °C приведены в табл.8.2.
Таблица 8.2. Значения коэффициентов теплоотдачи
Для увеличения общей площади теплоотдачи используют охладители специальных конструкций, например, ребристые (рис. 8.11). В качестве материалов для изготовления охладителей используются алюминий и его сплавы, отличающиеся высокой теплопроводностью.
Охладители в виде металлических пластин в сочетании с теплопроводящей и одновременно
Рис. 8.11. Ребристая конструкция охладителя: l – общая длина; h s – толщина основания
Рис. 8.12. Варианты конструкций соединения полупроводникового прибора с охладителем:
à – винтовое соединение; á – пружинное соединение; â – сборка с электрической изоляцией; 1 – âèíò; 2 – металлическая шайба; 3 – полупроводниковый прибор; 4 – электроизоляционная прокладка; 5 – охладитель; 6 – изоляционная втулка; 7 – цилиндрическая шайба; 8 – прижимная шайба; 9 – гайка; 10 – прижимная скоба
электроизолирующей прокладкой широко используются как в конструкциях отдельных полупроводниковых элементов, так и силовых интегральных модулях. На рис. 8.12 представлены такие конструкции с указанием их основных составных частей.
В целях повышения эффективности теплоотда- чи охладителей их целесообразно конструктивно объединять с корпусом аппарата таким образом, чтобы конвективный обмен осуществлялся непосредственно с воздухом окружающей среды, имеющей более низкую температуру, чем воздушная
§ 8.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах
Рис. 8.13. Конструкция тепловой испарительной трубки: 1 – внешняя жесткая оболочка; 2 – пористое покрытие
среда внутри аппарата. Однако это не всегда представляется возможным. Поэтому для повышения теплоотдачи иногда бывает более рациональным применение принудительного воздушного охлаждения. Для усиления скорости конвекции применяют вентиляторы, которые обеспечивают вывод нагретых слоев воздуха из конструкции аппарата в окружающую среду. Следует отметить, что принудительное охлаждение существенно повышает эффективность охлаждения не только силовых электронных ключей, но и других силовых компонентов устройства – трансформаторов, конденсаторов, резисторов. В результате появляется возможность значительного улучшения массогабаритных показателей силового электронного устройства.
В силовых электронных устройствах с высокими потерями мощности в полупроводниковых приборах, например, в диодах или тиристорах, при прямых токах свыше 1000 А принудительного воздушного отвода тепла может оказаться недостаточ- но. В таких случаях используют жидкостное охлаждение. Этот вид охлаждения более эффективен по сравнению с воздушным, так как жидкости имеют большую теплоемкость и лучшую теплопроводность, чем воздух. В качестве жидкостей обычно используется вода или масло. Обычно водяное охлаждение осуществляется проточным образом, когда вода поступает из водопровода, затем подвергается деионизации, а затем, протекая через охладитель, направляется в сточную систему.
В отдельных случаях используется рециркуляция воды в целях снижения ее расхода.
Наиболее эффективным способом охлаждения является использование теплоты испарения жидкости. Такой способ называется испарительным охлаждением. На рис. 8.13 показана упрощенная конструкция тепловой испарительной трубки [90]. Внутренняя стенка закрытой металлической трубки покрыта пористым материалом, пропитанным жидкостью. В трубке пониженное давление, способствующее испарению жидкости. От полупроводникового прибора к части À трубки подходит тепло, под воздействием которого происходит испарение жидкости. Затем пар (если используется вода) проходит
â часть Â , охлаждается, что соответствует адиабати- ческому процессу и поступает в часть Ñ . Тепло, выделяемое при конденсации, отводится в окружающую среду через стенки трубки и охладитель. Сконденсировавшаяся жидкость осаждается на пористом покрытии трубки и далее перемещается
â испарительную часть À трубки.
Описанный процесс протекает непрерывно с минимальной разницей температур между частями À è Ñ . Тепловая трубка может передать в 500 раз больше тепла, чем твердый проводник того же сечения [90].
Существуют и другие высокоэффективные системы испарительного охлаждения с использованием жидкостей низкой температуры кипения и хорошими электроизоляционными свойствами, например, фреоны.
Заметки об охлаждении,
Есть параметр, который способен наиболее полно отражать характеристики кулера. Это тепловое сопротивление кулера Rt . Незнание его смысла и значения приводит к жарким спорам при сравнении различных систем охлаждения и подтасовкам производителей с целью обеспечения реализации своей продукции. Поскольку часто вместе рассматриваются устройства разной категории. И самое главное – все это позволяет часто делать неверные выводы. Именно поэтому тепловое сопротивление должно быть указано в технических характеристиках любого охлаждающего устройства. И его отсутствие должно настораживать любого экспериментатора.
Рассмотрим понятие — тепловое сопротивление
При прохождении теплового потока P (от источника тепла к внешней среде) по теплопроводящей цепи, состоящей из нескольких последовательных элементов, на каждом из них за счет потерь остается температурный перепад Δ t . Все элементы имеют разные свойства. Для нашего случая интересна теплопроводность, которая, как ясно из названия, характеризует способность материала проводить тепло. Чем она выше, тем лучше.
Тепловой поток распространяется от нагретого тела к более холодной внешней среде.
Если проводить аналогию с кулером процессора представляющим собой алюминиевый радиатор с медной шайбой вставленной в основание, то слои или материалы можно описать:
М1 – как теплопроводящую пасту находящуюся между источником тепла – процессором и кулером,
М2 – как медную шайбу в основании кулера,
М3 – как тепловой зазор между медной шайбой и алюминиевым радиатором,
М4 – как собственно алюминиевый радиатор кулера.
На каждом участке потери теплового потока как отношение мощности остающиеся на участке к перепаду, температура на нем и являются тепловым сопротивлением.
Суммарное тепловое сопротивление всего кулера в данном случае будет равно сумме тепловых сопротивлений участков М1, М2, М3, М4.
Тепловое сопротивление RΣ (оно численно равно температуре перегрева радиатора на 1 Вт подводимой мощности, град.С/Вт) характеризует перепад температуры в последовательной цепи любых элементов в тепловом потоке, а в данном случае — тепловое сопротивление процессор–радиатор.
Есть кулер с паспортным значением теплового сопротивления Rt =0,31 К/Вт.
Посчитаем температуру процессора Intel® Core™2 Duo Desktop Processor E6700 с тепловыделением TDP = 65 Вт и Thermal Specification : 60.1° C , после установки на него указанного выше кулера.
По формуле 1 разность температур корпус процессора – окружающая среда, при данном TDR , будет равна Δt = Rt х Pt . Получаем величину Δt =20,5 °С и отсюда Δt ти = 2,05 °С.
Здесь Δt ти – температурный перепад на термо интерфейсе около 10% от Δt .
Это значит, что при температуре воздуха в корпусе ПК равной 24 град. С температура процессора будет равна 46,55 °С
Обратите внимание!
Если зазор в термо интерфейсе превышает заданный или применяется термо интерфейс с низкой теплопроводностью то Δt ти увеличивается. На величину Δt ти увеличивается и температура процессора.
Построим таблицу 1, куда запишем результаты расчетов для трех разных моделей кулера имеющих тепловое сопротивление 0,3; 0,5; 0,7 К/Вт. Для каждого из них температуры воздуха в корпусе ПК — 24, 34, 44 °С
| Тепловое сопротивление кулера К/Вт | Процессор Intel® Core™2 Duo Desktop Processor E6700, Thermal Specification: 60.1°C Температура ° С |
||
| Температура воздуха в корпусе ПК °С | |||
| 24 | 34 | 44 | |
| 0,3 | 45,5 | 55,5 | 65,5 |
| 0,5 | 59,75 | 69,75 | 79,75 |
| 0,7 | 74,05 | 84,05 | 94,05 |
В таблице выделены:
- зеленым цветом область допустимых параметров,
- красным цветом область недопустимых режимов работы процессора.
В результате получаем что процессор Intel® Core™2 Duo Desktop Processor E6700 не превышает допустимой температуры на кулере с тепловым сопротивлением 0,3 К/Вт при температуре воздуха в корпусе ПК менее 34 град.С и для кулера с Rt =0,5 К/Вт только менее 24 град. С. Аналогично можно оценить предельную температуру воздуха в корпусе ПК для Вашего процессора и кулера.
Выводы:
— Тепловое сопротивление кулера и усилие его прижатия к процессору должны быть обязательно указаны в его технических характеристиках (не рекомендуется применять кулеры не имеющие этих данных),
— Необходимо иметь корпус ПК с температурой воздуха в нем приближающейся к температуре наружного воздуха (корпус с низким сопротивлением воздушному потоку),
— Режим работы кулера должен просчитываться исходя из его теплового сопротивления и реальной температуры воздуха в корпусе ПК,
— Публикуемые тесты кулеров могут использоваться только для их качественной оценки в рассматриваемой в публикации группе, поскольку испытания обычно проводятся недостаточно корректно,
— Наиболее сильно влияние качественной термопасты проявляется на кулерах с низким тепловым сопротивлением.
На какое тепловое сопротивление влияет цвет охладителя
Тепловые процессы и тепловые параметры силовых полупроводниковых приборов
Тепловой режим силовых полупроводниковых приборов. Выделяющаяся в полупроводниковом кристалле электрическая мощность Pd рассеивается в виде тепла, которое должно быть отведено от р-п- переходов. Надежность прибора непосредственно зависит от максимальной температуры полупроводниковой структуры, а способ отведения тепла определяет зависимость температуры от выделяющейся мощности.
Статическое уравнение имеет вид
где h — коэффициент теплопередачи;
А — площадь поперечного сечения канала передачи тепла;
АТ — разность температур на концах этого канала.
Тепловой канал исходит из небольшого объема полупроводникового кристалла, в котором он зарождается, проходит через несколько слоев различных материалов, из которых изготавливаются термокомпенсаторы (вольфрам, молибден), прокладки (серебро, олово), основание (медь), охладитель (алюминий, силумин), и отводится в окружающую среду (рис. 9.6). Каждый из этих слоев об-
Рис. 9.6. Тепловое сопротивление силового полупроводникового прибора
с охлаждением ладает определенной характеристикой теплопередачи и оказывает сопротивление распространению теплового потока, вследствие чего создается перепад температур между полупроводниковой структурой и каждым из слоев. Тепловой расчет с учетом тепловых параметров всех разнородных слоев представляет довольно непростую многомерную задачу.
Тепловое сопротивление. Для характеристики теплопередающих свойств прибора практически оказалось удобнее ввести понятие теплового сопротивления и пользоваться при расчетах моделями, имитирующими отвод тепла на основе аналогии между уравнениями теплопередачи и законом Ома. При этом перепад температур АТ уподобляется разности потенциалов, тепловое сопротивление R1h — электрическому сопротивлению, а поток тепловой мощности Pd — току в цепи.
В соответствии с этой аналогией
Путь теплового потока через последовательность конструктивных элементов можно представить эквивалентной цепью с последовательным соединением тепловых сопротивлений соответствующих участков цепи (см. рис. 9.6):
где Тр Тс, Tlv Та — соответственно температура структуры, корпуса, охладителя, охлаждающей среды;
Rth:c, Rth ch, R,/j iui — соответственно тепловые сопротивления участков цепи «полупроводниковая структура—корпус прибора», «корпус прибора—контактная поверхность охладителя», «контактная поверхность охладителя—охлаждающая среда».
Результирующее тепловое сопротивление цепи «структура прибора—охлаждающая среда»
Для повышения нагрузочной способности при заданной максимальной температуре структуры стремятся уменьшить общее тепловое сопротивление. Для силовых приборов основную долю в общем тепловом сопротивлении составляет сопротивление «охладитель-среда» Rthha, достигающее 70—80 %, сопротивление «структура-корпус» составляет 15—25 % и остальную долю — сопротивление «корпус—охладитель».
Для приборов таблеточной конструкции с двухсторонним отводом тепла тепловое сопротивление «структура—корпус» определяется исходя из схемы параллельного включения тепловых сопротивлений со стороны анода RthjcA и катода RJhjcк прибора:
Сопротивление «корпус—охладитель» Rth Иа является нестабильным и зависит от типа корпуса, от площади контакта, силы сжатия корпуса с охладителем, типа теплопроводящей прослойки между корпусом и охладителем. В качестве этой прослойки может быть применена специальная силиконовая смазка. Иногда это может быть электроизолирующая прокладка. В качестве теплопроводящих прокладок могут использоваться слюда, оксид алюминия, оксид бериллия. Применение теплопроводящей смазки уменьшает сопротивление «корпус—охладитель» в 3—5 раз, а установка электроизолирующей прокладки увеличивает это сопротивление в 4—8 раз.
Тепловое сопротивление «охладитель—охлаждающая среда» зависит от типа охладителя и охлаждающей среды (воздушная, жидкостная). Наиболее часто используются воздушные охладители, которые иногда называют радиаторами. Тепловое сопротивление простейшего воздушного охладителя в виде прямоугольной пластины может быть найдено из соотношения:
где X — коэффициент теплопроводности охладителя, ВтДКсм) (для А1 — 2,08; Си — 3,85; стали — 0,46);
w — толщина пластины в см;
А — площадь поверхности, см 2 ;
С/ — поправочный коэффициент, учитывающий состояние поверхности и расположение в пространстве (при горизонтальном расположении для блестящей поверхности — 1, для черненой — 0,50; при вертикальном расположении для блестящей поверхности — 0,85, для черненой — 0,43).
Формула (9.27) отражает сопротивление для простого случая при расположении греющего прибора в центре пластины и отсутствии поблизости других охладителей. В реальных условиях задача значительно сложнее, и рассчитать сопротивление «охладитель—среда» довольно трудно. Поэтому для типовых охладителей составлены соответствующие характеристики. Из формулы (9.27) следует, что для снижения сопротивления нужно увеличивать площадь поверхности, для чего охладитель выполняют оребренным. Большое влияние оказывает состояние поверхности: ее следует выполнять матовой и черненой. Расположение должно быть вертикальным.
Эффективное снижение сопротивления достигается при обдуве конструкции (рис. 9.7). Если воздушный поток ламинарный, то отвод теплоты пропорционален квадратному корню из скорости воздушного потока, если поток турбулентный — скорости в степени 0,8. Наиболее интенсивно сопротивление снижается до скорости обдува 6 м/с. При скорости более 12 м/с снижение сопротивления незначительно, поэтому в целях общей экономии не применяют ско-
Рис. 9.7. Зависимость теплового сопротивления системы «охладитель—охлаждающая среда» (в относительных единицах) от скорости воздушного потока рость обдува выше этого значения. Дальнейшее улучшение характеристик теплоотвода можно получить, используя водяное или масляное охлаждение.
Приведенные выражения для теплового сопротивления относятся к установившемуся тепловому режиму.
Переходное тепловое сопротивление. В переходных режимах тепловое состояние полупроводникового прибора зависит как от теплопередачи, так и от теплоемкости конструкции и изменяется во времени по мере распространения теплового потока по конструкции. Оно характеризуется переходным тепловым сопротивлением «переход—среда» Z^tja и «переход—корпус» Z^tJC (Р ис — 9.8). Зависимости Z^t приводятся в справочных данных для конкретных ти-
Рис. 9.8. Переходные тепловые сопротивления «/?-л-переход—корпус» (кривая 5) и «/?-я-переход—среда» Z^tja при скорости охлаждающего воздуха Ом/с (кривая 7), 3 м/с (кривая 2), 6 м/с (кривая 3) и 12 м/с (кривая 4)
пов полупроводниковых приборов с типовыми охладителями. На рис. 9.8 приведены переходные тепловые сопротивления «переход- корпус» Z(tK)tjc и «переход—среда» Z^th)tja для диода Д143-1000 с тепловым охладителем 0243-150. Характеристики построены в логарифмическом масштабе по оси времени. На начальной стадии переходного процесса в течение 1 с процесс нагревания определяется самим полупроводниковым прибором. На последующих стадиях длительностью до 1000 с происходит довольно медленное распространение теплового потока на весь объем конструкции с охладителем. После этого наступает состояние термодинамического равновесия, тепловое сопротивление достигает установившегося значения Rth ja. Это значение зависит от условий охлаждения и, прежде всего, от скорости охлаждающего воздуха.
На начальном участке переходного процесса сопротивление невелико и быстро увеличивается, так как теплоемкость элементов полупроводникового прибора мала. Этот участок характеристики в справочных материалах приводится в другом масштабе (кривая 6 на рис. 9.8).
Метод расчета температуры нагрева полупроводниковой структуры. По известным значениям Z^tja для конкретных временных интервалов t в соответствии с выделяющейся мощностью потерь Pd можно рассчитать температуру полупроводниковой структуры в момент t:
Превышение температуры структуры над температурой охлаждающей среды 
Метод расчета заключается в следующем.
Пусть необходимо рассчитать превышение температуры структуры А Тд в момент t2 над температурой охлаждающей среды Та при условии, что на интервале ?0—t
Охлаждение микросхем: печатная плата и радиатор (часть 2) (страница 3)
Возможно, площадь меди в верхнем слое, на который устанавливается компонент, сказывается на характеристиках охлаждения. Второй элемент, который может оказать влияние – количество припоя, используемого при монтаже.
В качестве нагревательного элемента будет использован транзистор в корпусе DPAK при мощности 2.5 Вт.
Проверка влияния медной зоны вокруг компонента (DPAK), температура кристалла:
| Слой меди вокруг микросхемы |
Без обдува | 3.5 В | 5 В | 7 В | 12 В |
| Отсутствует | 60.2 | 58 | 55.6 | 52.2 | 48.5 |
| 7 мм | 54.7 | 52.7 | 51.1 | 49.6 | 47.8 |
| 7 мм + припой | 51.4 | 49.2 | 48.7 | 47.9 | 46.5 |
Интересно, что еще от 3 до 5 градусов можно выиграть, если просто нанести большее количество припоя вокруг металлической пластины компонента (вывод стока). Обычно же при монтаже компонентов не заботятся о теплопередаче через контактирующие поверхности, и это ошибка. Вокруг детали наибольшее сопротивление потерь и нанесение припоя может оказать реальную помощь.
реклама
Измерение качества передачи тепла по печатной плате.
До сих пор снимали градиент температур только для одного случая – без участия вентилятора. Но при искусственном охлаждении эффективность работы печатной платы должна упасть из-за сопротивления потерь передачи тепла вдоль платы. Повторим тест, но добавим работу вентилятора с очень маленькой и нормальной производительностью (3.5 и 7 вольт). Транзистор поменяем на D2PAK, для симуляции группы небольших транзисторов.
‘Внт.’ – температура кристалла, остальное снято с обратной стороны печатной платы, точка ‘0’ под центром металлической пластина транзистора (D2PAK, 5 Вт).
| Вентилятор | Внт. | 0 | 2.5 | 5 | 7.5 | 10 | 12.5 | 15 | 17.5 | 20 | 22.5 | 25 | 27.5 | 30 |
| 0 | 66.2 | 38.7 | 38 | 37.1 | 35.7 | 34.3 | 32 | 30.4 | 26.3 | 25 | 24.2 | 23.5 | 20.9 | 19.7 |
| 3.5 В | 53.9 | 28.2 | 27.9 | 27 | 25.5 | 24.1 | 22.9 | 20 | 16 | 15 | 14.2 | 13.3 | 11.3 | 9.7 |
| 7 В | 47.7 | 22 | 21.8 | 21.5 | 20.2 | 19.2 | 18.1 | 16 | 12.2 | 11.5 | 10.7 | 10 | 8.2 | 7.2 |
В данных есть небольшие нарушения монотонности, что вызвано неоднородной печатной платой.
Эффективная длина радиатора зависит от скорости обдува, если исходить из границы пятидесятипроцентного снижения, то рабочая длина составит:
- Без обдува – 30 мм.
- Низкая скорость обдува (вентилятор 3.5 В) – 22.5 мм.
- Высокая скорость обдува (вентилятор 7 В) – 20 мм.
Прошу обратить внимание, измерения проводились от центра к периферийной части, поэтому общий размер длины получается в два раза больше.
реклама
Ориентация в пространстве и цвет печатной платы.
Печатная плата выполняет функцию радиатора и относительно успешно. Но для радиатора важна ориентация в пространстве и цвет его покрытия. Теплопередача может осуществляться за счет нагрева окружающего воздуха или посредством излучения. Если радиатор темного цвета, то эффективность передачи тепла излучением повышается, обещают улучшение отдачи до х1.7 раз. Может, стоит красить платы в черный цвет?
Тестовая установка простая – многослойная печатная плата 25х40 мм (10 см 2 х2 стороны), в центре припаян транзистор в корпусе DPAK. Мощность та же, что и в других тестах с этим транзистором, 2.5 Вт.
Полученные данные сведены в таблицу:
| Ориентация платы | Цвет радиатора | Температура транзистора, градусов |
Температура платы, градусов |
Температура обратной стороны платы, градусов |
| Горизонтально | Черный | 60 | 51 | 44 |
| Вертикально | Черный | 58 | 50 | 45 |
| Горизонтально | Светлый | 73.8 | 64 | 57 |
| Вертикально | Светлый | 65 | 54 | 48 |
Неравномерность температуры в пределах стороны платы не превышает четырех градусов.
Изначально на печатной плате была защитная маска черного цвета. Для получения светлого цвета маска с обеих сторон удалялась. Теория говорит, что это должно было повлечь ухудшение эффективности в 1.7 раза, ведь передача тепла методом излучения уменьшилась во много раз. В реальности ухудшение работы составило всего лишь 25 процентов. Согласно теории, плоский радиатор лучше работает в вертикальном положении. Без маски это всего 18 процентов, а с маской едва ощутимо. Похоже, маска слишком толстая и мешает теплопередаче.
Средняя температура платы 50 градусов (температура обратной стороны не интересна), мощность 2.5 Вт, отсюда можно вычислить термосопротивление подобного ‘радиатора’ – 20 градусов на ватт при площади 10 см 2 . Или, при 200 см 2 тепловое сопротивление 1 градус на ватт.
Ничего сверхнеобычного, специально перекрашивать плату в черный цвет точно не стоит. Но это объясняет любовь производителей к темным платам.
Тепловое сопротивление.
Для измерения теплового сопротивления потребуется много откалиброванного оборудования и материалов, что достаточно проблематично, поэтому просто измерим падение температуры на тестовом материале. В качестве генератора тепла возьмем транзистор в корпусе DPAK при мощности 2.5 Вт. Его активная поверхность отвода тепла примерно 5х5 мм.
Тепловые потери измерялись как разность температур между точками ‘A’ и ‘B’.
Контрольные точки выбраны не слишком удачно, но этот способ выдержан для снятия характеристик всех материалов. Тепловые потери на двух переходах сред и термопасты учитываются.
Особенности проведения измерений:
- При измерении потерь в платах, нагревательный элемент к ним припаивался, а обратная сторона зачищалась от окислов и покрытий до чистой меди.
- В корпусах BGA и TSOP выбиралось место без полупроводникового кристалла, с краю.
- В качестве ’пластины из железа’ использовался небольшой фрагмент из конструкции системного блока.
- Теплопроводящие прокладки сняты из аппаратуры, поэтому точные характеристики неизвестны. Красный из фирменного блока питания, серый – из обычного китайского ‘noname’.
реклама
| Материал | Толщина, мм | Температура, градусов | Приведено к 1 мм, градусов |
| Многослойная печатная плата | 1.5 | 10.3 | 6.9 |
| Двухсторонняя печатная плата | 1.5 | 69.4 | 46.3 |
| Корпус микросхемы BGA | 0.76 | 18.8 | 24.7 |
| Корпус микросхемы TSOP | 0.98 | 31.7 | 32.3 |
| Пластина из железа | 0.6 | 4.2 | 7 |
| Теплопроводящая прокладка (красная) | 0.3 | 11.7 | 37.3 |
| Теплопроводящая прокладка (серая) | 0.37 | 16.9 | 45.7 |
| Прокладка из керамики (белая) | 0.64 | 4.9 | 7.6 |
Разница в температурах многослойной и обычной платы просто дикая. Понятно, что FR4 плохо проводит тепло, но чтоб тонкие прослойки меди были настолько эффективны…
Сама же теплопроводность корпусов не слишком хорошая, что вполне ожидаемо.
По термопрокладкам тоже не особо красивые цифры, но что есть, то есть. На их фоне керамика выглядит просто великолепно, но ее не удастся использовать в компьютерной технике – просто незачем. Назначение термопрокладок в выбирании различной высоты компонентов, а керамика жесткая и в этом вопросе не поможет. Какая именно была керамика в моем случае, сказать трудно. Судя по цвету и тепловому сопротивлению, это бериллиевая керамика.
Как использовать данные таблицы? Да очень просто – тепловое сопротивление железа известно, остальные цифры пересчитываются пропорционально.
Практическое применение
Для начала вы можете воспользоваться методикой расчета радиатора по материалу, опубликованному на сайте electrosad.ru (pdf, 186 Кб). Или можно вспомнить правило – ‘не грузи и не загрузим будешь’. На фабричные радиаторы есть технические характеристики, а с самодельными … можно применять упрощенные расчеты, ведь точные расчеты смысла не несут, очень уж много непредсказуемых параметров. Вы знаете тепловое сопротивление корпуса или печатной платы именно вашей системной платы? А ведь тепловая проводимость платы зависит, в том числе, и от трассировки ее внутренних слоев. При этом хорошо бы учесть, что с организацией обдува тоже подчас не всё хорошо.
Итак, упрощенный расчет. Если надо точнее, то, пожалуйста, воспользуйтесь приведенной выше ссылкой на методику, а по остальным вопросам – увы, только самостоятельные исследования и чтение документации по компонентам. К сожалению, ‘общие’ рекомендации слишком упрощены, местами дико.
Пункт 1 – тепловая мощность.
По преобразователям питания процессора все довольно просто, их КПД колеблется вокруг цифры 80%. При этом сразу следует учесть, что они проектируются на определенную мощность потребления и при превышении (или соразмерно) этой цифры КПД преобразования энергии начинает уменьшаться. Грубо говоря, стоит брать эффективность 82% для пониженной нагрузки, и 76% нормальной – для большой. Мощность потерь составит соответственно 22 и 32 процента от выходной мощности. Расчеты для низкой мощности производить труднее, даже при сильных упрощениях, ведь потери в компонентах преобразователя пропорциональны квадрату выходного тока.
Например, в материнской плате, рассчитанной на TDP 120 Вт, установлен процессор с потреблением 70 Вт. В данном случае нагрузка не является повышенной, ожидается предполагаемый КПД 82%. При этом от источника питания потребляется 70*100/82 = 85.4 Вт. Из этой цифры 70 Вт уходит в процессор, а 85.4-70 = 15.4 Вт рассеивается на элементах преобразователя.
Тот же случай, но с использованием более мощного (по потреблению) процессора с разгоном даст несколько иную картину. Если он потребляет 140 Вт (цифры условны), то предполагается снижение КПД преобразователя до 76%. Потери составят уже совсем другие цифры: 140*100/76 = 184.2 Вт от источника питания, или 184.2-140 = 44.2 Вт на элементы преобразователя.
Хочу сразу отметить, что далеко не все эти потери вызваны транзисторами. Что-то, и весьма большое, рассеивается на индуктивностях, трассировке и, немного — на конденсаторах. Как разделить полученную цифру на транзисторы и всех остальных? Всё очень сильно зависит от примененных компонентов. Скажем, две трети тепла рассеивается на транзисторах. Только не спрашивайте, откуда взялась цифра. А потолок надо побелить.
Итак, надо рассмотреть два варианта: 15.4х2/3 = 10 Вт и 44.2*2/3 = 29 Вт.
Пункт 2 – активная площадь поверхности печатной платы.
Давайте возьмем какую-нибудь материнскую плату и посмотрим, во что это выльется.
В этой плате используются компоненты в корпусе LFPAK, эффективно отдающие тепло в печатную плату. Прекрасно, расчеты можно вести без особых усложнений. Если бы компоненты плохо отводили тепло в плату, то расчет эффективности рассеивания тепла был бы чрезвычайно сложен и проще сразу переходить к выбору дискретного радиатора, игнорируя теплорассеивающие свойства платы.
Вначале уберем те участки, которые не могут отводить тепло от преобразователя.
Остается измерить оставшуюся поверхность. Если не учитывать зону нижнего левого края с надписью ‘BIOSTAR’, то получается два прямоугольника – верхний 55х120 мм и правый 45х85 мм.
Ранее рассматривалась эффективность отвода тепла печатной платой. Из полученных результатов выходило, что ширина более 60 мм не эффективна (поэтому игнорировали левую часть платы). В моем случае ширина 55 и 45 мм, что удовлетворяет условию без ограничений. В итоге получается площадь поверхности 55х120 + 45х85 = 104 см 2 .
Есть один нюанс, который портит общее впечатление. Дело в том, что на плате расположены и другие компоненты, кроме преобразователя, и они тоже подогревают печатную плату. Для порядка, стоит отметить, что эти компоненты выступают как небольшие радиаторы и тоже рассеивают тепло. На данной картинке присутствует разъем процессора, и он (точнее, процессор) тоже греется. Но несильно, термозащита процессора настроена на температуру порядка 60 градусов по верхней крышке. Что до нижней части процессора, то она ниже температуры крышки. К тому же, между дном процессора и печатной платой находится прослойка контактов, которые не особо хорошо передают тепло. Так что, тепловой подогрев от процессора можно не учитывать.
Пункт 3 – площадь и мощность на один транзистор.
В преобразователе десять фаз, в каждой по три транзистора. Понятно, что тепловые потери не распределяются равномерно по всем компонентам, но и расчеты примерны.
На один транзистор приходится 104/(10*3) = 3.5 см 2 площади печатной платы. Мощность:
Первый вариант — 10/(10*3) = 0.33 Вт.
Второй вариант — 29/(10*3) = 0.97 Вт.
Извините, небольшое уточнение по методике. Ранее рассмотрены исследования при использовании достаточно больших участков печатной платы, которые во много раз превышают цифру 3.5 см 2 , полученную в этом расчете. Это означает, что предыдущее исследование было неверным? Отнюдь, посмотрите внимательнее на картинку, транзисторы собраны в группу и тепло рассеивается довольно протяженным участком платы (45 и 55 мм).
Пункт 4 – расчет радиатора.
Если дана мощность и перегрев, то можно вычислить требуемую площадь поверхности. Для этого надо решить, сколько будет закладываться на перегрев. В системном блоке обычной температурой считается 35 градусов, выше 50 градусов компонент воспринимается как горячий. Выходит, что на перегрев остается 50-35 = 15 градусов.
Прошу заметить, эти рассуждения затрагивают температуру радиатора (печатной платы), у кристалла температура окажется несколько выше.
Для начала, попробуем обойтись без принудительного обдува.
Площадь поверхности платы (вернее, одной стороны) уже рассчитали. Далее, эту цифру надо умножить на 1.5, ведь у платы две стороны. Почему не удвоить? Здесь два момента:
- Во-первых, обратная сторона материнской платы рассеивает тепло не особо эффективно.
- Во-вторых, сама печатная плата сделана не из чистой меди и из-за потерь работает не столь эффективно.
После вычисления эффективной поверхности (приведенной к идеальной пластинке), к ней можно применить упрошенную формулу расчета – поверхность 300 см 2 нагревается на один градус при подведении мощности один ватт. Но можно обойтись еще более простым решением — ранее измеряли, для темной печатной платы (естественно многослойной) коэффициент 1 градус на ватт приходится на (одну сторону) поверхности 200 см 2 .
Для наихудшего случая, 0.97 Вт, необходимая площадь радиатора составит 0.97*200/15 = 13 см 2 .
Ну вот, настало время прослезиться. Если бы на плате под транзистор приходилось 13 см 2 , то ни о каком радиаторе задумываться не пришлось. А так… только 3.5 см 2 .
Если взять меньшую мощность (первому варианту требовалось только 0.33 Вт), то необходимая площадь радиатора составит 0.33*200/15 = 4.4 см 2 .
Гм. Если не использовать дополнительный радиатор, то первый вариант вполне работоспособен, только перегрев будет уже 19 градусов вместо 15. Не смертельно, температура самого транзистора выйдет 54 градуса. Что до второго случая, то отсутствие радиатора скажет весьма жестко – перегрев 56 градусов или температура 91 градус.
Понятно, почему производитель этой материнской платы установил на транзисторы радиатор. В первом приближении, для нормального функционирования преобразователя нужен радиатор 13 см 2 * 30 = 390 см 2 , довольно большого размера. Попробую высказать безосновательное предположение, что установленный производителем радиатор обладает эффективной поверхностью гораздо меньше требуемой, а значит, возникнет потребность в дополнительном обдуве.
Выводы
Война — ерунда, главное маневры!
Выводы, вторая попытка.
Ммм …. Выводы что-то совсем не пишутся, может статью почитаете?
Почти все корпуса обладают пластиковым (керамическим) верхом, что затрудняет отвод тепла через него. Можно поставить радиатор и/или обдувать мощным воздушным потоком, но всё равно эффект останется посредственным. Ну, не предназначены они для этого, что ж тут поделать. Причем, дело не облегчает тот факт, что кристалл находится достаточно глубоко под поверхностью.
Если в корпусе применяется соединение выводов того вида, что рассмотрено в разделе TSOP, то материал корпуса должен быть выше на толщину выводов и небольшой запас над ними, для электрической изоляции. Если же выводы утоплены в глубь корпуса, находятся вокруг кристалла (смотреть картинку в разделе QFN), то все равно требуется ощутимый запас над кристаллом, ведь проволочки соединения кристалл–выводы немного поднимаются над пластиной полупроводника. Именно поэтому я отдельно не тестировал такую распространенную сборку, как drMOS – смысла нет. Это все тот же ‘TSOP’, по методу подключения силовых выводов (а значит, и толщины верхней крышки над кристаллом); и QFN, по методу отвода тепла в печатную плату.
И по отводу тепла через пластину в дне. Обычный корпус, без вставок, несколько поднят над платой и очень плохо отдает тепло через дно. Зазор оставлен не по чьей-то особой вредности, это требуется технологически – на печатной плате могут быть локальные дефекты (защитной маски, маркировки, рельефность многослойной платы), да и при формовке выводов и изготовлении корпуса существует разброс параметров.
Основная задача корпуса SMD – гарантировать надежное прилегание выводов, всех выводов, к контактным площадкам печатной платы. Отсюда и появляется зазор между корпусом и платой. Он небольшой, но теплоизоляционные свойства у него ‘хорошие’. Если компонент выделяет много тепла, то может быть применена модифицированная редакция корпуса, с металлической пластинкой в дне. При этом полупроводниковый кристалл монтируется на эту пластину, иначе нет смысла городить огород. Решение хорошее, но почему оно не распространено? Если забыть про немного возросшую стоимость корпуса и затаривания кристалла, то остается весьма серьезная проблема – ‘металлическое’ дно мешает трассировке платы.
Нельзя просто так положить подобный корпус на плату, защитная маска не может гарантировать отсутствия замыкания. Даже если выкрутить руки технологам и поставить, то всё равно плохо – в современной электронике все цепи представляют собой линии, а у них есть вполне определенный импеданс. И поскольку металл дна находится прямо над проводниками, то импеданс будет изменен и не соответствовать расчетному. Если у цепи импеданс меняется на своем протяжении, то возникают частичные локальные отражения и форма сигнала искажается.
Поэтому, если используется корпус с металлом в дне, то соответствующую зону платы приходится изолировать от трассировки. Обычно если металл в дне есть, то он занимает значительную ее часть, что неизбежно сказывается на качестве трассировки цепей – банально меньше места. Поэтому хоть сами по себе вставки и полезны, но их не ставят по объективным причинам. Впрочем, стоит отметить – в микросхемах довольно часто устанавливают полупроводниковые кристаллы на теплораспределительные пластины, просто они не видны, будучи изолированы в корпусе. При этом улучшается отвод тепла, а внешне корпус выглядит традиционным.
К слову, я как-то смотрел микросхемы SDRAM в корпусе TSOP – в них использовался полупроводниковый кристалл огромного размера, во всё пространство корпуса. При этом кристалл был смонтирован на тонкой медной пластинке. Микросхемы памяти крайне чувствительны к локальному нагреву, поэтому введение пластинки весьма оправдано.
По результатам измерений накопились некоторые общие выводы, пора их собрать в одном месте.
Типы корпусов влияют на механизм охлаждения. Если в упаковке не предусмотрен отвод тепла в плату (TSOP, SOIC и аналогичные), то не следует рассчитывать на эффективный отвод тепла средствами печатной платы. В случае корпуса с развитой поверхностью можно возложить надежды на обдув. А иначе придется устанавливать дополнительный радиатор.
Термопрокладки есть зло, их вредоносная сущность четко отразилась в измерениях. В ряде корпусов введение этого элемента приводит к результату худшему, чем без радиатора вовсе. Увы, при применении группового радиатора, общего на несколько корпусов, без данного зла не обойтись – хоть немного, но корпуса отличаются по толщине, а термопрокладка призвана выбрать разницу. Часть корпусов просто обязывает применение термопрокладки, ведь у них металлический верх, у которого есть электрический контакт со схемой.
Локальные радиаторы лучше группового, ведь не требуют использования термопрокладки, но размеры и форма такого радиатора должна быть соответствующие – большой объем (точнее — поверхность), редкие и высокие иглы или ребра. Обычный размер компонента 5х5 … 10х10 мм, что затрудняет подбор достойного радиатора. Посмотрите результаты тестирования, радиаторы 10 см 2 … 20 см 2 не могут оказать существенного эффекта без принудительного обдува, а это уже весьма крупные конструкции.
Если компонент перегревается, то более эффективно применение обдува, чем установка радиатора. Причина тривиальна – большое тепловое сопротивление через верхнюю крышку. Корпуса просто не предназначены для отвода тепла через верх. Про упаковку DirectFET пока не будем вспоминать, поскольку она не особо распространена. А жаль.