Việc ứng dụng bể nhiệt trong ngành công nghiệp bán dẫn

Bộ tải nhiệt là các thành phần quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn, đóng một vai trò quan trọng trong việc quản lý hiệu suất nhiệt và đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị điện tử. Khi các thiết bị bán dẫn tiếp tục thu nhỏ kích thước trong khi tăng mật độ công suất, quản lý nhiệt hiệu quả đã trở thành nền tảng của thiết kế điện tử hiện đại. Bài viết này khám phá các công nghệ đằng sau bộ tải nhiệt, ứng dụng của chúng trong ngành công nghiệp bán dẫn và xu hướng tương lai trong lĩnh vực này.

Công nghệ và ứng dụng bể nhiệt

1. Tổng quan về công nghệ quy trình

Bộ tản nhiệt được thiết kế để tiêu tan nhiệt từ bề mặt rắn, chủ yếu thông qua dẫn điện và đối lưu. Chúng thường được xây dựng từ vật liệu dẫn nhiệt cao như nhôm, đồng hoặc sự kết hợp của cả hai. Quá trình sản xuất bao gồm đùn, đúc ép, gia công và gần đây hơn, sản xuất phụ gia cho các hình học phức tạp. Xử lý bề mặt như anodizing hoặc mạ tăng cường khả năng chống ăn mòn và hiệu quả truyền nhiệt.

1.1 Điểm chung

Để cung cấp hiệu suất tối ưu của các thiết bị bán dẫn, điều cần thiết là không vượt quá nhiệt độ nối tối đa được chỉ định bởi nhà sản xuất.

Nói chung, nhiệt độ nối tối đa này chỉ có thể duy trì mà không vượt quá bằng cách chạy thiết bị liên quan ở đầu ra công suất thấp hơn.

Tại đầu ra tiếp cận các thiết bị bán dẫn xếp hạng tối đa phải được làm mát bởi cái gọi là bộ tản nhiệt.

Hiệu suất nhiệt của các bộ tản nhiệt này chủ yếu phụ thuộc vào khả năng dẫn nhiệt của vật liệu mà chúng được làm từ, kích thước của diện tích bề mặt và khối lượng.

Ngoài ra, màu bề mặt, vị trí lắp đặt, nhiệt độ, tốc độ không khí xung quanh và vị trí lắp đặt đều có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu suất cuối cùng của bộ tải nhiệt từ ứng dụng này sang ứng dụng khác.

Không có phương pháp tiêu chuẩn quốc tế được thỏa thuận để thử nghiệm hệ thống làm mát điện tử hoặc để xác định kháng nhiệt.

1.2. Việc xác định kháng nhiệt

Kháng nhiệt là thông số quan trọng nhất trong lựa chọn mát hơn, ngoại trừ các cân nhắc cơ học. Để xác định kháng nhiệt, phương trình sau được áp dụng:

Phương trình 1: RthK = − (RthG + RthM) = − RthGM

Trong trường hợp của một ứng dụng mà nhiệt độ nối tối đa không vượt quá nhiệt độ phải được xác minh.

Khi nhiệt độ trường hợp đã được đo, việc sử dụng phương trình sau sẽ cho phép tính toán nhiệt độ nối tối đa:

Phương trình 2: θi = θG + P x RthG

Ý nghĩa của các determinant:

θi = nhiệt độ nối tối đa ở °C của thiết bị theo chỉ định của nhà sản xuất. Là một yếu tố an toàn, điều này nên giảm 20-30 ° C.

θu = nhiệt độ môi trường trong °C.

Sự gia tăng nhiệt độ do nhiệt bức xạ của bộ tản nhiệt nên được tăng một biên giới 10-30 ° C.

Δθ = sự khác biệt giữa nhiệt độ nối tối đa và nhiệt độ xung quanh.

ΘG = nhiệt độ đo của trường hợp thiết bị (phương trình 2).

P = công suất tối đa của thiết bị trong [W] Rth = kháng nhiệt trong [K / W]

RthG = kháng nhiệt bên trong của thiết bị bán dẫn (theo chỉ định của nhà sản xuất)

RthM = kháng nhiệt của bề mặt lắp đặt. Đối với trường hợp TO 3, các giá trị xấp xỉ sau đây được áp dụng:

1. khô, không có cách nhiệt 0,05 - 0,20 K / W

2. với hợp chất nhiệt / không có cách nhiệt 0,005 - 0,10 K / W

3. Wafer oxyt nhôm với hợp chất nhiệt 0,20 - 0,60 K / W

4. Mica wafer (dày 0,05 mm) với hợp chất nhiệt 0,40 - 0,90 K / W

RthK = kháng nhiệt của bộ tản nhiệt, có thể được lấy trực tiếp từ các biểu đồ

RthGM = tổng của RthG và RthM. Đối với các kết nối song song của một số transistor, giá trị RthGM có thể được xác định bằng phương trình sau:

Phương trình 3: = + + . .. +

Kết quả có thể được thay thế bằng phương trình 1.

K = Kelvin, là đo chuẩn của sự khác biệt nhiệt độ, đo bằng °C, do đó 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin mỗi watt, đơn vị kháng nhiệt.

Ví dụ tính toán:

1. Một transistor công suất TO 3 với xếp hạng 60 watt có nhiệt độ nối tối đa 180 ° C và kháng nội bộ 0,6 K / W ở môi trường xung quanh 40 ° C với các wafer oxyt nhôm.

Sự chống nhiệt gì là cần thiết cho bộ tản nhiệt?

được cung cấp:

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

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (cho biên an toàn) RthM = 0,4 K/W (giá trị trung bình)

θu = 40 °C

tìm: RthK sử dụng phương trình 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Điều kiện tương tự như ở trên nhưng đối với ba thiết bị có mức công suất phân phối bình đẳng.

giải pháp sử dụng phương trình 1 và phương trình 3 = + + = W / K RthGM ges. = K / W = 0,33 K / W

thay thế vào phương trình 1 cho: RthK = _ 0,33 K / W = 1,67 K / W

Với các giá trị này được xác định, bảng trên trang A 13 - 17 có thể được sử dụng để lựa chọn các hồ sơ bộ tản nhiệt có thể. Sau đó bằng cách kiểm tra các bản vẽ và đường cong, lựa chọn cuối cùng có thể được thực hiện.

3. Một transistor với công suất 50 W và kháng nhiệt bên trong 0,5 K / W có nhiệt độ trường hợp 40 ° C. Giá trị thực tế của nhiệt độ nối là gì?

được cung cấp:

P = 50 W R thG = 0,5 K / W θG = 40 ° C

tìm: phương trình θiusing 2

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

Kháng nhiệt của bất kỳ hồ sơ nào với đối lưu ép buộc

RthKf ≈ một • RthK

RthKf = kháng nhiệt với đối lưu ép buộc

RthK = kháng nhiệt với đối lưu tự nhiên

a = yếu tố tỷ lệ

Hiệu suất, tuổi thọ và độ tin cậy của các thiết bị bán dẫn điện tử được xác định đáng kể bởi tải nhiệt mà các thiết bị bị tiếp xúc. Vượt quá nhiệt độ hoạt động tối đa dẫn đến sự cố. Vượt quá nhiệt độ nối được phép dẫn đến sự phá hủy của chất bán dẫn. Để làm cho nó tồi tệ hơn, có một xu hướng tiến bộ trong ngành công nghiệp bán dẫn để liên tục tăng mật độ tích hợp và công suất của các thiết bị điện tử. Để giải quyết các vấn đề nhiệt, câu hỏi đầu tiên là loại phân tán nhiệt nào phải được xem xét. Đối với điều này có các quy trình khác nhau có sẵn: bằng cách đối lưu tự do (thụ động) với các giải pháp tản nhiệt khác nhau, bằng cách đối lưu ép buộc (hoạt động với sự giúp đỡ của quạt, tổng hợp làm mát) hoặc bằng cách truyền thông chất lỏng (làm mát chất lỏng).

Tuy nhiên, các thiết bị và hệ thống điện tử có nhiều điều kiện giới hạn và lắp đặt khác nhau. Do đó, việc lựa chọn quản lý nhiệt tối ưu thường khó khăn. Chắc chắn có khả năng tìm ra khái niệm tiêu tan nhiệt phù hợp bằng cách sử dụng kháng nhiệt cho các tính toán hoặc bằng cách thử nghiệm và xác minh các nguyên mẫu trực tiếp trong ứng dụng, nhưng ngày nay các điều chỉnh cơ khí được khách hàng chỉ định được yêu cầu và yêu cầu nhiều hơn bao giờ hết. Phần gia công cơ khí nhỏ, chẳng hạn như các sợi tích hợp bổ sung hoặc khoan có thể được xem xét trong tính toán với dự trữ an toàn trong nhiệt độ của kháng nhiệt, nhưng các sửa đổi rộng rãi đòi hỏi kiểm tra lặp đi lặp lại hoàn cảnh nhiệt.

Các yếu tố được xem xét trong mô phỏng nhiệt

Với mô phỏng nhiệt KINGKA, các đặc điểm cần thiết của khái niệm làm mát có thể được xác định chính xác. Dựa trên các khái niệm vật lý như khối lượng, năng lượng và xung, phần mềm đặc biệt xem xét các yêu cầu nhiệt của đối lưu tự nhiên hoặc ép buộc. Đồng thời, hệ thống tiêu tan nhiệt thông qua chất lỏng. Ngoài ra, mô phỏng nhiệt tính toán các hiệu ứng vật lý như bức xạ nhiệt và biến động. Các yếu tố bức xạ của các bề mặt khác nhau cũng đóng một vai trò.

KINGKA sẽ vui lòng tư vấn cho bạn chi tiết về mô phỏng nhiệt chủ đề. Các chuyên gia của chúng tôi sẵn sàng cho tất cả các lời khuyên kỹ thuật.

2.2 Vai trò trong ngành công nghiệp bán dẫn

Bộ tải nhiệt đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ nối trong giới hạn an toàn, ngăn chặn nhiệt chảy và đảm bảo hoạt động ổn định. Chúng rất quan trọng để bảo vệ CPU, GPU, bán dẫn điện (IGBT, MOSFET) và các thành phần nhạy cảm nhiệt khác trong các mạch tích hợp và lắp ráp điện tử.

2.3 Lĩnh vực ứng dụng chính

Máy tính hiệu suất cao (HPC): Cần thiết cho bộ xử lý làm mát trong siêu máy tính và trung tâm dữ liệu.

· Điện tử ô tô: Đảm bảo độ tin cậy của bộ biến tần xe điện, hệ thống ADAS và các đơn vị thông tin giải trí.

· Viễn thông: Duy trì hiệu suất của các trạm cơ sở và bộ định tuyến dưới tải nặng.

3. Kết luận

Bộ tải nhiệt là nền tảng cho khả năng của ngành công nghiệp bán dẫn quản lý sự gia tăng không ngừng trong việc tạo nhiệt. Công nghệ thiết kế và sản xuất của họ tiếp tục phát triển, giải quyết nhu cầu của các ứng dụng mới nổi trong khi mở đường cho các giải pháp làm mát thông minh hơn, bền vững hơn. Khi ngành công nghiệp đẩy ranh giới hiệu suất và tích hợp, vai trò của quản lý nhiệt hiệu quả sẽ chỉ tăng lên tầm quan trọng.