• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Розрахунок температури поверхні чипу ІМС в пластмасовому корпусі

Лекція №3

Перенесення теплової енергії кондукцією, конвекцією та випроміненням

В залежності від умов можуть мати місце різні варіанти передачі теплової енергії Ф_ij від ізотермічної поверхні i до ізотермічної поверхні j. В загальному випадку необхідно розглядати сумарний потік енергії, обумовлений кожним видом перенесення теплової енергії:

Ф_ij = Ф_ijк + Ф_ijс + Ф_ijв = (θ_i – θ_j)(1/R_ijк + 1/R_ijс + 1/R_ijв) (1.20)

де Ф_ijк, R_ijк – тепловий потік та тепловий опір кондукцією.

1.6 Приклади наближених розрахунків по визначенню температури поверхні чипу Інтегральних мікросхем (ІМС)

В керамічному корпусі з жорсткими штирьовими виводами та приєднаним радіатором.

Рис. 1.4.

На рисунку 1.4. відображено перетин конструкції ІСМ в пластмасовому корпусі, яка через зовнішні виводи 1 з’єднана з друкованою платою 2. ІМС складається із чипу 3, який через рамку внутрішніх виводів 4, як правило, у вигляді друкованих проводів із алюмінію на поліімідній плівці, з’єднаний із рамкою зовнішніх виводів 1. Конструкція поєднується в пластмасовому корпусі 5, де:

h_в – ефективна товщина шару зовнішніх виводів з врахуванням проміжків між виводами (середня товщина шару виводів);

h_р – ефективна (середня) товщина шару внутрішніх виводів (товщина поліимідної рамки);

λ_в та λ_р – коефіцієнти теплопровідності шару зовнішніх виводів та рамки внутрішніх виводів (поліимідної рамки).

В загальному випадку потужність Р, яка виділяється на поверхні чипу під час роботи ІМС (вся електронна схема ІМС розташована в поверхневому шарі чипу), розповсюджується :

ü від верхньої поверхні чипу до верхньої частини корпусу ІМС;

ü через чип до нижньої частини корпусу ІМС;

ü через рамку внутрішніх поліимідних виводів до зовнішніх виводів;

ü через зовнішні виводи до друкованої плати і, крім того, через поверхні зовнішніх виводів, що знаходяться в об’ємі корпусу, через матеріал корпусу тече до поверхні корпусу, а далі із поверхні корпусу і поверхні зовнішніх виводів, які контактують із зовнішнім середовищем, енергія тече у зовнішнє середовище;

ü через об’єм друкованої плати тече до її поверхні і далі розповсюджується в середовище, яке контактує із поверхнями друкованої плати.

Для складання наближеної загальної еквівалентної теплової схеми теплового процесу спочатку оцінимо теплові опори окремих елементів при наступних вихідних конструктивних даних:

Чип. Площа S_ч=1,0 [см²]; товщина h_ч 0,5 [мм]; λ_ч =150 [Вт/(к·м)].

Внутрішні виводи. Розглядаємо спрощено їх у вигляді еквівалентного кільця, внутрішній край якого з’єднаний з поверхнею чипу, а зовнішній край з початком зовнішніх виводів корпусу. Товщина цього кільця h_р = 0,05 мм; його внутрішній радіус r_рв = 5,0 [мм]; а зовнішній r_рз = 5,1 мм; теплопровідність λ_р = 200 Вт/(к·м).

Зовнішні виводи. Розглядаємо їх також спрощено у вигляді кільця, внутрішній край якого радіусом r_вв = r_рз = 2,6 мм, з’єднаний з внутрішніми виводами на поліамідній рамці. Зовнішній край кільця виводів радіусом r_вз = 15 мм з’єднаний із друкованою платою. Вважаємо, що ділянка виводів, яка контактує із зовнішнім середовищем між краєм корпусу та друкованою платою є відсутньою. λ_в = 200 Вт/(к·м).

Корпус. Товщина h_к = 3,5 мм] S_к = 9,0 см²; λ_к = 1 [Вт/(к·м)].

Тепловий опір чипу R_ч з робочої поверхні до протилежної сторони чипу:

Тепловий опір шару внутрішніх виводів (поліімідної рамки) – від краю чипу до початку зовнішніх виводів:

Тепловий опір шару зовнішніх виводів:

Тепловий опір кондукцією від поверхні кристалу і виводів до зовнішніх поверхонь корпусу. Вважаємо, що середина корпусу є поверхня із постійною температурою.

Тепловий опір конвекцією із поверхні корпусу в зовнішнє середовище R_кс:

де α_кс – коефіцієнт тепловіддачі між поверхнею корпусу і зовнішнім середовищем. α_кс визначається системою охолодження і знаходиться реально в діапазоні значень 20÷150 Вт/м²·˚С для природної повітряної системи охолодження.

Складаємо еквівалентну теплову схему розглянутих теплових процесів. Тепловий опір чипу має відносно низьке значення і він суттєво не впливає на процеси. Тому великої помилки не буде, якщо у загальній тепловій схемі тепловий опір чипу послідовно з’єднаємо з тепловим опором внутрішніх і зовнішніх виводів (R_р та R_в). Тепловий опір корпусу кондукцією R_к ми розглянули як зосереджений параметр, що не зовсім вірно. Фактично це є розподілений параметр. В зв’язку з чим умов найгіршого випадку опір R_к необхідно підєднати до схеми в кінці R_в, тобто:

Рис. 1.5.

Допустимо було б приєднати R_к в схемі перед R_в. Це при розрахунках дало б занижені значення температури θ₁ поверхні чипу. θ₁ – температура середовища.

Рис. 1.6.

Звичайно ІМС розміщають на друкованій платі таким чином, що площа ділянки плати є більшою ніж площа корпусу ІМС. При цьому тепло від виводів ІМС провідністю плати (опір кондукцією R_дк) приєднується до її поверхні, і далі із поверхні плати конвекцією (опір конвекцією R_де) передається в середовище.

На рис. 1.7. приведено розміщення ІМС на друкованій платі (ДП).

Рис. 1.7.

Приймаємо:

- товщину ДП = h_дп = 2 мм;

- теплопровідність λ_дп ≈ 70 Вт/(м·°С);

- площа S_дп = 18 см².

Для визначення наближеного значення опору R_дк визначимо еквівалентний периметра розміщення виводів, як:

а периметр друкованої плати:

Тоді:

Тепловий опір конвекцією R_дс між поверхнею пластин і середовищем:

де α_де – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією між друкованою платою і середовищем, значення якого в залежності від системи повітряного охолодження може складати від 2÷10 до 10÷150 Вт/м²·°С, що визначає значення R_дс від 139 до 1,9 °С/Вт.

Використовуючи рис. 1.6 складемо залежну еквівалентну схему.

Рис. 1.8.

Розглядаючи схему Рис. 1.8 і, виходячи із загального теплового рівняння θ₁ = P·R_∑+θ₂, слідує, що температура θ₁ визначається в основному опором R_дс і R_кс, а власне коефіцієнтом α_дс і α_кс, тобто системою охолодження.

Наприклад при α_дс = α_кс = 2 і P = 1 Вт, то

θ₁ = 20 + 94 ≈ 114 °С

Таким чином, при потужності Р не більше 1 Вт, та при наведеній конструкції, звичайна повітряна система охолодження забезпечить надійну роботу ІМС. Якщо потужність Р буде більшою або буде зменшено площу S_к або S_дп то можуть мати місце умови суттєвого перевищення температури чипу.

Читайте також:

1. Автоматичний розрахунок суми проведення.
2. Аеродинамічний розрахунок
3. Аеродинамічний розрахунок ротора вітроустановки
4. Алгоритм розрахунку температури поверхні чипу ІМС процесора
5. Аналітичний розрахунок завантаження горловин
6. Аналітичний розрахунок сумарного завантаження типових перетинань
7. Вертикальний градієнт температури
8. Види норм праці, їх розрахунок
9. Визначення температури на поверхні ізоляції принадземномупрокладанні та при прокладанні трубопроводів в приміщенні.
10. Вимірювання розмірів деталей та шорсткуватості поверхні
11. Вимірювання температури
12. Вимірювання температури контактним методом.

Переглядів: 688