Penggunaan Panci Panas dalam Industri Semikonduktor

Sink haba adalah komponen penting dalam industri semikonduktor, memainkan peranan penting dalam menguruskan prestasi haba dan memastikan kebolehpercayaan peranti elektronik. Oleh kerana peranti semikonduktor terus mengecil dalam saiz sambil meningkatkan ketumpatan kuasa, pengurusan haba yang berkesan telah menjadi asas reka bentuk elektronik moden. Artikel ini meneroka teknologi di sebalik sink haba, aplikasi mereka dalam industri semikonduktor, dan trend masa depan dalam bidang ini.

Teknologi dan Aplikasi Heat Sink

1. Gambaran keseluruhan Teknologi Proses

Pembersih haba direka untuk menghilangkan haba dari permukaan pepejal, terutamanya melalui konduksi dan konveksi. Mereka biasanya dibina daripada bahan-bahan kecanduhan haba tinggi seperti aluminium, tembaga, atau gabungan kedua-duanya. Proses pembuatan termasuk ekstrusi, die-casting, pemesinan, dan baru-baru ini, pembuatan aditif untuk geometri kompleks. Rawatan permukaan seperti anodizing atau plating meningkatkan rintangan kakisan dan kecekapan pemindahan haba.

1.1 Titik umum

Untuk menyediakan prestasi optimum peranti separuh konduktor adalah penting untuk tidak melebihi suhu persimpangan maksimum yang ditunjukkan oleh pengeluar.

Secara umumnya suhu persimpangan maksimum ini hanya boleh dikekalkan tanpa melebihinya dengan menjalankan peranti yang berkenaan pada output kuasa yang lebih rendah.

Pada output yang mendekati penilaian maksimum peranti semikonduktor perlu disejukkan oleh apa yang dipanggil heatsinks..

Prestasi haba penghapus haba ini terutamanya bergantung kepada kecanduhan haba bahan dari mana mereka dibuat, saiz kawasan permukaan dan jisim.

Di samping itu, warna permukaan, kedudukan pemasangan, suhu, kelajuan udara persekitaran dan tempat pemasangan semua mempunyai pengaruh yang berbeza pada prestasi akhir penghapus haba dari satu aplikasi ke aplikasi lain.

Tiada kaedah standard antarabangsa yang dipersetujui untuk menguji sistem penyejukan elektronik atau untuk menentukan rintangan haba.

1.2. Penentuan rintangan haba

Rintangan haba adalah parameter yang paling penting dalam pemilihan sejuk, selain daripada pertimbangan mekanikal. Untuk menentukan rintangan haba persamaan berikut digunakan:

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

Sekiranya terdapat aplikasi di mana suhu persimpangan maksimum tidak melebihi suhu mesti disahkan.

Apabila suhu kes telah diukur, penggunaan persamaan berikut akan membolehkan suhu persimpangan maksimum dikira:

Persamaan 2: θi = θG + P x RthG

Makna penentu:

θi = suhu persimpangan maksimum dalam °C peranti seperti yang ditunjukkan oleh pengeluar. Sebagai "faktor keselamatan" ini perlu dikurangkan sebanyak 20-30 ° C.

θu = suhu persekitaran dalam °C.

Peningkatan suhu yang disebabkan oleh haba radian sink panas harus ditingkatkan dengan margin 10-30 ° C.

Δθ = perbezaan antara suhu simpang maksimum dan suhu persekitaran.

θG = suhu yang diukur dalam kes peranti (persamaan 2).

P = penarafan kuasa maksimum peranti dalam [W] Rth = rintangan haba dalam [K/W]

RthG = rintangan haba dalaman peranti semikonduktor (seperti yang ditunjukkan oleh pengeluar)

RthM = rintangan haba permukaan pemasangan. Untuk TO 3 kes nilai kira-kira berikut terpakai:

1. kering, tanpa insulatar 0.05 - 0.20 K / W

2. dengan sebatian haba / tanpa penebat 0.005 - 0.10 K / W

3. Wafer oksida aluminium dengan sebatian haba 0.20 - 0.60 K / W

4. Wafer Mica (tebal 0.05 mm) dengan sebatian haba 0.40 - 0.90 K / W

RthK = rintangan haba heatsink, yang boleh diambil secara langsung dari diagram

RthGM = jumlah RthG dan RthM. Untuk sambungan selari beberapa transistor nilai RthGM boleh ditentukan oleh persamaan berikut:

Persamaan 3: = + + . .. +

Hasilnya boleh digantikan kepada persamaan 1.

K = Kelvin, yang merupakan ukuran standard perbezaan suhu, diukur dalam °C, oleh itu 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin per watt, unit rintangan haba.

Contoh pengiraan:

1. Transistor kuasa TO 3 dengan penarafan 60 watt mempunyai suhu persimpangan maksimum 180 ° C dan rintangan dalaman 0.6 K / W pada persekitaran 40 ° C dengan wafer oksida aluminium.

Apakah rintangan haba yang diperlukan untuk sink haba?

diberikan:

P = 60 W R thG = 0.6 K/W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (untuk margin keselamatan) RthM = 0.4 K/W (nilai purata)

θu = 40 ° C

mencari: RthK menggunakan persamaan 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0.6 K/W + 0.4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Syarat yang sama seperti di atas tetapi untuk tiga peranti dengan penarafan kuasa yang sama.

penyelesaian menggunakan persamaan 1 dan persamaan 3 = + + = W / K RthGM ges. = K / W = 0.33 K / W

menggantikan ke dalam Persamaan 1 memberikan: RthK = _ 0.33 K/W = 1.67 K/W

Dengan nilai-nilai ini ditentukan, jadual pada halaman A 13 - 17 boleh digunakan untuk memberikan pilihan profil sink panas yang mungkin. Kemudian dengan memeriksa lukisan dan lengkung pilihan akhir boleh dibuat.

3. Transistor dengan penarafan kuasa 50 W dan rintangan haba dalaman 0.5 K / W mempunyai suhu kes 40 ° C. Apakah nilai sebenar suhu persimpangan?

diberikan:

P = 50 W R thG = 0.5 K/W θG = 40 °C

mencari: θiusing persamaan 2

θi = θG+ (P • RthG) θi = 40 ° C + (50 W • 0.5 K / W) = 65 ° C

Rintangan haba mana-mana profil dengan konveksi paksa

RthKf ≈ a • RthK

RthKf = rintangan haba dengan konveksi paksa

RthK = rintangan haba dengan konveksi semulajadi

a = faktor proporsi

2. Prestasi, hayat perkhidmatan dan kebolehpercayaan peranti semikonduktor elektronik ditentukan dengan ketara oleh beban haba yang terdedah kepada peranti. Melebihi suhu operasi maksimum membawa kepada kerosakan. Melebihi suhu persimpangan yang dibenarkan membawa kepada kemusnahan semikonduktor. Untuk memburukkan keadaan, terdapat trend yang maju dalam industri semikonduktor untuk terus meningkatkan kepadatan integrasi dan kuasa peranti elektronik. Untuk penyelesaian masalah haba soalan pertama adalah jenis penyebaran haba yang perlu dipertimbangkan. Untuk ini terdapat proses yang berbeza: dengan cara konveksi bebas (pasif) dengan penyelesaian sink haba yang berbeza, dengan cara konveksi paksa (aktif dengan bantuan peminat, agregat penyejukan) atau dengan cara media cecair (penyejukan cecair).

Walau bagaimanapun, peranti dan sistem elektronik mempunyai banyak sempadan dan keadaan pemasangan yang berbeza. Oleh itu, pilihan pengurusan haba yang optimum sering sukar. Pasti ada kemungkinan untuk mencari konsep penyebaran haba yang betul dengan menggunakan rintangan haba untuk pengiraan atau dengan menguji dan mengesahkan prototaip secara langsung dalam aplikasi, tetapi hari ini penyesuaian mekanikal yang ditentukan pelanggan diminta dan diminta lebih daripada sebelumnya. Pemesinan selepas mekanikal kecil, seperti benang bersepadu tambahan atau penggerudian boleh dipertimbangkan dalam pengiraan dengan rizab keselamatan dalam suhu rintangan haba, tetapi pengubahsuaian yang luas memerlukan pemeriksaan berulang-ulang keadaan haba.

Faktor-faktor yang dipertimbangkan dalam simulasi haba

Dengan simulasi haba KINGKA, ciri-ciri yang diperlukan konsep penyejukan boleh ditentukan dengan tepat. Berdasarkan konsep fizikal seperti jisim, tenaga dan dorongan, perisian ini secara khusus mempertimbangkan keperluan haba konveksi semula jadi atau paksa. Pada masa yang sama, sistem menghilangkan haba melalui cecair. Di samping itu, simulasi haba mengira kesan fizikal seperti radiasi haba dan turbulensi. Faktor radiasi permukaan yang berbeza juga memainkan peranan.

KINGKA akan dengan senang hati menasihati anda secara terperinci mengenai tema simulasi haba. Pakar kami tersedia untuk semua nasihat teknikal.

2.2 Peranan dalam Industri Semikonduktor

Pembersih haba memainkan peranan penting dalam mengekalkan suhu persimpangan dalam had yang selamat, mencegah pelarian haba, dan memastikan operasi yang stabil. Mereka sangat penting untuk melindungi CPU, GPU, semikonduktor kuasa (IGBT, MOSFET), dan komponen sensitif haba lain dalam litar bersepadu dan perhimpunan elektronik.

2.3 Bidang Utama Penggunaan

· Pengkomputeran Prestasi Tinggi (HPC): Penting untuk pemproses penyejukan di superkomputer dan pusat data.

· Elektronik Automotif: Memastikan kebolehpercayaan inverter kenderaan elektrik, sistem ADAS, dan unit infotainment.

· Telekomunikasi: Mengekalkan prestasi stesen asas dan penghala di bawah beban berat.

3. Kesimpulan

Penyedek haba adalah asas kepada keupayaan industri semikonduktor untuk menguruskan peningkatan yang tidak henti dalam penjanaan haba. Teknologi reka bentuk dan pembuatan mereka terus berkembang, menangani permintaan aplikasi yang baru muncul sambil membuka jalan untuk penyelesaian penyejukan yang lebih pintar dan lebih mampan. Apabila industri mendorong sempadan prestasi dan integrasi, peranan pengurusan haba yang berkesan hanya akan meningkat dalam kepentingan.