Anvendelse af varmeafvaskere i halvlederindustrien

Varmeafvaskere er vigtige komponenter i halvlederindustrien og spiller en afgørende rolle i styring af termisk ydeevne og sikring af pålideligheden af elektroniske enheder. Eftersom halvlederenheder fortsætter med at krympe i størrelse, samtidig med at strømtætheden stiger, er effektiv termisk styring blevet en hjørnesten i moderne elektronikdesign. Denne artikel udforsker teknologierne bag varmeafvaskere, deres anvendelser i halvlederindustrien og fremtidige tendenser på dette område.

Varmeafledningsteknologi og -applikationer

1. Oversigt over procesteknologi

Varmevaskere er designet til at sprede varme fra en fast overflade, primært gennem ledning og konvektion. De er typisk konstrueret af høj termisk ledningsevne materialer som aluminium, kobber eller en kombination af begge. Produktionsprocesser omfatter ekstrudering, trykstøbning, bearbejdning og senere additiv fremstilling til komplekse geometrier. Overfladebehandlinger som anodisering eller belagning forbedrer korrosionsbestandighed og varmeoverførselseffektivitet.

1.1 Generelle punkter

For at sikre optimal ydeevne af halvlederanordninger er det afgørende ikke at overskride den maksimale forbindelsestemperatur, der er angivet af fabrikanten.

Generelt kan denne maksimale forbindelsestemperatur kun opretholdes uden at overskride den ved at køre den pågældende enhed ved lavere effektudgange.

Ved udgange, der nærmer sig de maksimale ratings halvlederenheder skal køles af såkaldte varmeafvaskere..

Den termiske ydeevne af disse varmeafvaskere afhænger primært af den termiske ledningsevne af det materiale, de er fremstillet af, størrelsen på overfladearealet og massen.

Derudover har overfladefarve, monteringsposition, temperatur, omgivelseslufthastighed og monteringssted alle varierende indflydelse på varmeafledningens endelige ydeevne fra en applikation til en anden.

Der er ingen aftalte internationale standardmetoder til afprøvning af elektroniske kølesystemer eller til bestemmelse af termisk modstand.

1.2. Bestemmelse af termisk modstand

Den termiske modstand er den parameter, der er vigtigst i kølerudvælgelsen, bortset fra mekaniske overvejelser. Ved bestemmelse af den termiske modstand anvendes følgende ligning:

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

I tilfælde af en anvendelse, hvor den maksimale forbindelsestemperatur ikke overskrides, skal temperaturen kontrolleres.

Når tilfældets temperatur er blevet målt, vil anvendelsen af følgende ligning gøre det muligt at beregne den maksimale forbindelsestemperatur:

Ligning 2: θi = θG + P x RthG

Betydningen af determinanterne:

θi = anordningens maksimale forbindelsestemperatur i °C som angivet af fabrikanten. Som »sikkerhedsfaktor« bør dette reduceres med 20-30 °C.

θu = omgivelsestemperatur i °C.

Temperaturstigningen forårsaget af strålende varme fra varmeafvaskeren bør øges med en margen på 10-30 ° C.

Δθ = forskellen mellem maksimal forbindelsestemperatur og omgivelsestemperatur.

θG = målet temperatur i enhedens tilfælde (ligning 2).

P = enhedens maksimale nominelle effekt i [W] Rth = termisk modstand i [K/W]

RthG = halvlederenhedens indre termiske modstand (som angivet af fabrikanten)

RthM = termisk modstand af monteringsoverfladen. For TO 3-tilfælde gælder følgende omtrentlige værdier:

1. tør, uden isolering 0,05 - 0,20 K/W

2. med termisk forbindelse/uden isolator 0,005 - 0,10 K/W

3. Aluminiumoxidwafer med termisk forbindelse 0,20 - 0,60 K / W

4. Mica wafer (0,05 mm tyk) med termisk forbindelse 0,40 - 0,90 K / W

RthK = termisk modstandsdygtighed af varmeafledning, som kan tages direkte fra diagrammerne

RthGM = summen af RthG og RthM. For parallelle forbindelser af flere transistorer kan værdien RthGM bestemmes ved følgende ligning:

Ligning 3: = + + . .. +

Resultatet kan erstattes med ligning 1.

K = Kelvin, som er standardmålet for temperaturforskelle, målt i °C, derfor 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin pr. watt, enheden for termisk modstand.

Beregningseksempler:

1. En TO 3 effekttransistor med 60 watt har en maksimal forbindelsestemperatur på 180 °C og en intern modstand på 0,6 K/W ved et omgivelsesområde på 40 °C med aluminiumoxidwafers.

Hvilken termisk modstand kræves for varmeafvaskeren?

givet:

P = 60 W R thG = 0,6 K/W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (for sikkerhedsmargen) RthM = 0,4 K/W (gennemsnitsværdi)

θu = 40 °C

find: RthK ved hjælp af ligning 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Samme betingelser som ovenfor, men for tre enheder med lige fordelt effekt.

Løsning brug ligning 1 og ligning 3 = + + = W/K RthGM ges. = K/W = 0,33 K/W

erstatning i ligning 1 giver: RthK = _ 0,33 K/W = 1,67 K/W

Når disse værdier er bestemt, kan tabellen på side A 13 - 17 bruges til at give et valg af mulige varmeafledningsprofiler. Derefter ved undersøgelse af tegninger og kurver kan det endelige valg foretages.

3. En transistor med en nominal effekt på 50 W og en intern termisk modstand på 0,5 K/W har en tilfældestemperatur på 40 °C. Hvad er den faktiske værdi af krydsningstemperaturen?

givet:

P = 50 W R thG = 0,5 K/W θG = 40 °C

find: θiusing ligning 2

θi = θG+ (P • RthG) θi = 40 °C + (50 W • 0,5 K/W) = 65 °C

Termiske modstande af alle profiler med tvunget konvektion

RthKf ≈ en • RthK

RthKf = termisk modstand med tvunget konvektion

RthK = termisk modstand med naturlig konvektion

a = forholdsfaktor

Ydelse, levetid og pålidelighed af elektroniske halvlederenheder bestemmes væsentligt af den termiske belastning, som enhederne udsættes for. En overskridelse af den maksimale driftstemperatur fører til fejl. En overskridelse af den tilladte forbindelsestemperatur fører til en ødelæggelse af halvlederen. For at gøre det værre er der en fremskridende trend i halvlederindustrien for kontinuerligt stigende integration- og strømtætheder af elektroniske enheder. For at løse termiske problemer er det første spørgsmål, hvilken form for varmeudledning der skal overvejes. Til dette er der forskellige tilgængelige processer: ved hjælp af fri konvektion (passiv) med forskellige varmeafledningsløsninger, ved hjælp af tvunget konvektion (aktiv ved hjælp af ventilatorer, køleaggregater) eller ved hjælp af flydende medier (flydende køling).

Elektroniske enheder og systemer har imidlertid mange forskellige grænse- og installationsforhold. Derfor er valget af den optimale termiske styring ofte vanskeligt. Der er helt sikkert muligheder for at finde det rigtige varmeudledningskoncept ved at bruge termisk modstand til beregninger eller ved at teste og verificere prototyper direkte i applikationen, men i dag er kundespecifikke mekaniske justeringer anmodet og krævet mere end nogensinde før. Små mekaniske efterbearbejdninger, såsom yderligere integrerede gevinder eller boring, kan tages i betragtning ved beregningen med sikkerhedsreserver i temperaturen af den termiske modstand, men omfattende ændringer kræver en gentagen inspektion af de termiske forhold.

Overvejede faktorer i termisk simulering

Med KINGKA termisk simulering kan de nødvendige egenskaber ved kølekonceptet bestemmes nøjagtigt. Baseret på fysiske begreber som masse, energi og impuls tager softwaren specifikt hensyn til de termiske krav ved naturlig eller tvunget konvektion. Samtidig adskiller systemet varmen via væsken. Derudover beregner termisk simulering fysiske effekter som termisk stråling og turbulens. Strålingsfaktorerne på forskellige overflader spiller også en rolle.

KINGKA vil gerne rådgive dig i detaljer om temaet termisk simulering. Vores eksperter står til din rådighed for teknisk rådgivning.

2.2 Rolle i halvlederindustrien

Varmevaskere spiller en afgørende rolle i at opretholde forbindelsestemperaturer inden for sikre grænser, forhindre termisk afløb og sikre stabil drift. De er afgørende for at beskytte CPU'er, GPU'er, krafthalvledere (IGBT'er, MOSFET'er) og andre varmefølsomme komponenter i integrerede kredsløb og elektroniske enheder.

2.3 Nøgleområder

High-Performance Computing (HPC): Det er afgørende for køling af processorer i supercomputere og datacentre.

Bilelektronik: Sikrer pålidelighed af elektriske køretøjers omformere, ADAS-systemer og infotainment-enheder.

· Telekommunikation: opretholder ydeevnen af basestationer og routere under tung belastning.

3. Konklusion

Varmeafvaskere er grundlæggende for halvlederindustriens evne til at håndtere den uendelige stigning i varmeproduktionen. Deres design- og fremstillingsteknologier fortsætter med at udvikle sig og imødekommer kravene i nye applikationer, samtidig med at de baner vejen for smartere og mere bæredygtige køleløsninger. Eftersom industrien skubber grænserne for ydeevne og integration, vil rollen for effektiv termisk styring kun vokse i betydning.