مدیریت حرارتی پیشرفته در نیمه‌هادی‌های قدرت برای قابلیت اطمینان الکترونیک

در عرصه رقابتی مهندسی الکترونیک، بسیاری از طراحان با یک کابوس تکراری روبرو هستند: یک صفحه مدار دقیق طراحی شده در آزمایشات آزمایشگاهی عملکرد بی نقص دارد،فقط برای گرم شدن بیش از حد در عرض چند دقیقه با بار کاملاین تجربه دردناک برای مهندسان به عنوان یک مراسم انتقال عمل می کند.

تازه کاران اغلب به مدیریت حرارتی به عنوان یک هنر سیاه نگاه می کنند، معتقدند که بخاری های بزرگتر و فن های بلندتر موفقیت را تضمین می کنند.تبعید گرما از اصول مشابه مدارهای الکتریکی پیروی می کندتصور کنید گرما به عنوان "جریان"، تفاوت دما به عنوان " ولتاژ"، و هر رابط حرارتی از سیلیکون به بسته بندی، بسته بندی به مواد رابط حرارتی،و حرارتی سینک به هوا محیطی به عنوان مقاومت های سری "." این اساسی استمدل مقاومت حرارتی (Rθ).

فرمول ساده است:مقاومت حرارتی کل = اتصال به کیس + مقاومت تماس + مقاومت حرارتیهر نقطه مقاومت باعث کاهش ولتاژ می شود که باعث می شود دمای اتصال افزایش یابد. وقتی مقاومت حرارتی از محدودیت های طراحی فراتر رود، گرما مانند آب پشت سد جمع می شود.تجاوز از درجه حرارت تعیین شده اتصال (معمولاً 150 °C) خواص نیمه هادی را به طور برگشت ناپذیر تغییر می دهد، که منجر به کاهش عملکرد یا شکست فاجعه بار می شود.

مدیریت حرارتی موثر مستلزم استفاده هماهنگ از سه اصل فیزیکی است:

• رهبری: بنیاد- انتقال گرما از تراشه به حرارتی بستگی به رسانایی حرارتی مواد دارد. فراتر از انتخاب حرارتی مس یا آلومینیوم، مهندسان باید طرح صفحه را بهینه کنند تا از نقاط گرم محلی جلوگیری کنند.
• محرک: میدان اصلی نبرد- الگوهای جریان هوا، کارایی محرک را تعیین می کنند. هندسه باله، تراکم و سطح نیاز به بهینه سازی دقیق دارد. تراکم بیش از حد باله مانع از جریان هوا می شود و ایجاد رکود حرارتی می کند.
• تشعشعات: قهرمان ناشناخته- اغلب نادیده گرفته می شود، تشعشع حرارتی از سطوح سیاه آنودیزه شده (با انتشار بالاتر از فلز پولیش شده) می تواند 5-10٪ از انتشار گرما در سناریوهای خنک سازی منفعلانه باشد.

یک خطای مهندسی رایج شامل بخاری های بیش از حد بزرگ است که نمی توانند از گرم شدن بیش از حد جلوگیری کنندمقاومت رابط. نقص های سطح میکروسکوپی، جیب های عایق بندی هوا را بین قطعات گیر می اندازد. مواد رابط حرارتی با عملکرد بالا (TIMs)یا ترکیبات تغییر فاز این شکاف ها را پر می کنند.

مهندسان با یک پارادوکس فشار مواجه هستند: فشار نصب ناکافی مقاومت حرارتی را افزایش می دهد، در حالی که فشار بیش از حد خطر ترک بسته های نیمه هادی را دارد.فانکشن های خاص به صورت بهار یا مکانیسم های فشرده سازی به طور مساوی توزیع شده ضروری استدر تراژستورهای موازی، نصب ناسازگار باعث ایجاد عدم تعادل حرارتی می شود که می تواند باعث فرار حرارتی یک سیستم الکترونیکی شود.

با توجه به گرماخوارها که از آلومینیوم چاپ شده گرفته تا طرح های اتاق بخار گران قیمت می باشند، معیارهای انتخاب باید اولویت بندی شوند:

• معیارهای عملکرد- اولویت منحنی های مقاومت حرارتی ارائه شده توسط تولید کننده (°C / W) نسبت به اندازه فیزیکی
• اثرات جهت گیری- باله ها باید عمودی هم تراز شوند تا از اثرات طبیعی دودخانه استفاده کنند؛ نصب افقی کارایی را تا ۳۰ تا ۴۰ درصد کاهش می دهد
• عوامل محیطی- کاربردهای ارتفاع بالا به دلیل کاهش تراکم هوا نیاز به 30-50٪ حرارتی اضافی دارند

هنگامی که محور طبیعی کافی نیست، خنک سازی هوایی اجباری ضروری می شود.پیکربندی های سبک تنفسی از طرح های مکش با ایجاد جریان هوایی آشفته که لایه های مرزی حرارتی را مختل می کند، "پوش" عایق هوا گرم را که به سطوح حوضچه گرما چسبیده است، فراتر می برد.

برای کاربردهای دارای چگالی قدرت شدید، لوله های حرارتی یا سیستم های خنک کننده مایع حفاظت نهایی را ارائه می دهند. این سیستم های تغییر فاز به طور موثر گرما را به رادیاتورهای از راه دور منتقل می کنند.امکان "کاربرد سرد" واقعی الکترونیک حساس.

طراحی حرارتی یک چالش علمی است نه یک هنر عرفانیمهندسان می توانند اصول حرارتی را برای ایجاد پایداردرک این مفاهیم اساسی به طراحان این امکان را می دهد که مدیریت حرارتی را از یک فکر بعدی به یک مزیت استراتژیک تبدیل کنند.