L'applicazione dei dissipatori di calore nell'industria dei semiconduttori

I dissipatori di calore sono componenti critici nell'industria dei semiconduttori, che svolgono un ruolo vitale nella gestione delle prestazioni termiche e nel garantire l'affidabilità dei dispositivi elettronici. Mentre i dispositivi a semiconduttore continuano a ridurre le dimensioni mentre aumentano la densità di potenza, un'efficace gestione termica è diventata una pietra angolare della moderna progettazione elettronica. Questo articolo esplora le tecnologie dietro i dissipatori di calore, le loro applicazioni nell'industria dei semiconduttori e le tendenze future in questo campo.

Tecnologia e applicazioni del dissipatore di calore

1. Panoramica della tecnologia del processo

I dissipatori di calore sono progettati per dissipare il calore da una superficie solida, principalmente attraverso la conduzione e la convezione. Sono tipicamente costruiti da materiali ad alta conduttività termica come alluminio, rame o una combinazione di entrambi. I processi di fabbricazione includono l'estrusione, la pressofusione, la lavorazione e, più recentemente, la fabbricazione additiva per geometrie complesse. I trattamenti superficiali come l'anodizzazione o la placcatura migliorano la resistenza alla corrosione e l'efficienza del trasferimento di calore.

1.1 Punti generali

Per garantire prestazioni ottimali dei dispositivi semiconduttori è essenziale non superare la temperatura massima di giunzione indicata dal produttore.

Generalmente, questa temperatura massima di giunzione può essere mantenuta solo senza superarla eseguendo il dispositivo in questione a potenze inferiori.

A uscite che si avvicinano alle massime nominali i dispositivi semiconduttori devono essere raffreddati dai cosiddetti dissipatori di calore.

Le prestazioni termiche di questi dissipatori dipendono principalmente dalla conduttività termica del materiale da cui sono fatti, dalle dimensioni della superficie e dalla massa.

Inoltre, il colore della superficie, la posizione di montaggio, la temperatura, la velocità dell'aria ambiente e il luogo di montaggio hanno tutti un'influenza variabile sulle prestazioni finali del dissipatore di calore da un'applicazione all'altra.

Non vi sono metodi standard internazionali concordati per la prova dei sistemi di raffreddamento elettronico o per la determinazione della resistenza termica.

1.2. La determinazione della resistenza termica

La resistenza termica è il parametro più importante nella selezione del raffreddatore, oltre alle considerazioni meccaniche. Per determinare la resistenza termica si applica la seguente equazione:

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

In caso di applicazione in cui la temperatura massima di giunzione non è superata, la temperatura deve essere verificata.

Quando la temperatura del caso è stata misurata, l'uso della seguente equazione permetterà di calcolare la temperatura massima di giunzione:

Equazione 2: θi = θG + P x RthG

Il significato dei determinanti:

θi = temperatura massima di giunzione in °C del dispositivo indicata dal produttore. Come “fattore di sicurezza” questo dovrebbe essere ridotto di 20-30 °C.

θu = temperatura ambiente in °C.

L'aumento della temperatura causato dal calore radiante del dissipatore deve essere aumentato di un margine di 10-30 ° C.

Δθ = differenza tra temperatura massima di giunzione e temperatura ambiente.

θG = temperatura misurata della cassa del dispositivo (equazione 2).

P = potenza massima del dispositivo in [W] Rth = resistenza termica in [K/W]

RthG = resistenza termica interna del dispositivo a semiconduttore (come indicato dal produttore)

RthM = resistenza termica della superficie di montaggio. Per i casi TO 3 si applicano i seguenti valori approssimativi:

1. secco, senza insulatar 0,05 - 0,20 K/W

2. con composto termico/senza isolante 0,005 - 0,10 K/W

3. wafer di ossido di alluminio con composto termico 0,20 - 0,60 K/W

4. wafer di mica (0,05 mm di spessore) con composto termico 0,40 - 0,90 K / W

RthK = resistenza termica del dissipatore, che può essere presa direttamente dai diagrammi

RthGM = somma di RthG e RthM. Per le connessioni parallele di diversi transistor il valore RthGM può essere determinato dalla seguente equazione:

Equazione 3: = + + . .. +

Il risultato può essere sostituito in equazione 1.

K = Kelvin, che è la misura standard delle differenze di temperatura, misurata in °C, quindi 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin per watt, unità di resistenza termica.

Esempi di calcolo:

1. Un transistor di potenza TO 3 con 60 watt nominale ha una temperatura massima di giunzione di 180 °C e una resistenza interna di 0,6 K/W in un ambiente di 40 °C con wafer di ossido di alluminio.

Quale resistenza termica è necessaria per il dissipatore di calore?

dato:

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

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (per il margine di sicurezza) RthM = 0,4 K/W (valore medio)

θu = 40 °C

trovare: RthK utilizzando l'equazione 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Stesse condizioni come sopra, ma per tre dispositivi con potenza paritariamente distribuita.

uso della soluzione equazione 1 e equazione 3 = + + = W/K RthGM ges. = K/W = 0,33 K/W

sostituire nell'equazione 1 dà: RthK = _ 0,33 K/W = 1,67 K/W

Con questi valori determinati, la tabulazione a pagina A 13 - 17 può essere utilizzata per fornire una scelta di possibili profili dissipatori. Quindi, esaminando i disegni e le curve, si può fare la scelta finale.

3. Un transistor con potenza nominale di 50 W e resistenza termica interna di 0,5 K/W ha una temperatura del caso di 40 °C. Qual è il valore effettivo della temperatura di giunzione?

dato:

P = 50 W R thG = 0,5 K/W θG = 40 °C

trovare: θiusing equazione 2

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

Resistenze termiche di qualsiasi profilo con convezione forzata

RthKf ≈ a • RthK

RthKf = resistenza termica con convezione forzata

RthK = resistenza termica con convezione naturale

a = fattore di proporzione

Le prestazioni, la durata e l'affidabilità dei dispositivi elettronici a semiconduttore sono determinate in modo significativo dal carico termico a cui sono esposti i dispositivi. Un superamento della temperatura massima di funzionamento porta a malfunzionamenti. Un eccesso della temperatura di giunzione consentita porta alla distruzione del semiconduttore. Per peggiorare la situazione c'è una tendenza in progresso nell'industria dei semiconduttori per il continuo aumento delle densità di integrazione e potenza dei dispositivi elettronici. Per la soluzione dei problemi termici la prima domanda è quale tipo di dissipazione del calore deve essere considerato. Per questo sono disponibili diversi processi: mediante convezione libera (passiva) con diverse soluzioni di dissipatore di calore, mediante convezione forzata (attiva con l'aiuto di ventilatori, aggregati di raffreddamento) o mediante mezzi fluidi (raffreddamento fluido).

Tuttavia, dispositivi e sistemi elettronici hanno molte condizioni di confine e di installazione diverse. Pertanto la scelta della gestione termica ottimale è spesso difficile. Ci sono sicuramente possibilità di trovare il giusto concetto di dissipazione del calore utilizzando la resistenza termica per i calcoli o testando e verificando i prototipi direttamente nell'applicazione, ma oggi le regolazioni meccaniche specificate dal cliente sono richieste e richieste più che mai. Nel calcolo possono essere prese in considerazione piccole post-lavorazioni meccaniche, come filetti integrati aggiuntivi o foratura, con riserve di sicurezza nella temperatura della resistenza termica, ma modifiche estese richiedono una ripetuta ispezione delle circostanze termiche.

Fattori considerati nella simulazione termica

Con la simulazione termica KINGKA, le caratteristiche necessarie del concetto di raffreddamento possono essere determinate con precisione. Sulla base di concetti fisici come massa, energia e impulso, il software considera specificamente le esigenze termiche della convezione naturale o forzata. Allo stesso tempo, il sistema dissipa il calore attraverso il fluido. Inoltre, la simulazione termica calcola effetti fisici come radiazioni termiche e turbolenze. Anche i fattori di radiazione di diverse superfici svolgono un ruolo.

KINGKA sarà lieto di consigliarvi in dettaglio sul tema della simulazione termica. I nostri esperti sono a vostra disposizione per ogni consulenza tecnica.

2.2 Ruolo nell'industria dei semiconduttori

I dissipatori di calore svolgono un ruolo vitale nel mantenere le temperature di giunzione entro limiti sicuri, prevenire la fuga termica e garantire un funzionamento stabile. Sono fondamentali per la protezione di CPU, GPU, semiconduttori di potenza (IGBT, MOSFET) e altri componenti sensibili al calore all'interno di circuiti integrati e assemblaggi elettronici.

2.3 Aree chiave di applicazione

Computing ad alte prestazioni (HPC): essenziale per il raffreddamento dei processori nei supercomputer e nei data center.

· Elettronica automobilistica: garantisce l'affidabilità degli inverter per veicoli elettrici, dei sistemi ADAS e delle unità di infotainment.

· Telecomunicazioni: Mantiene le prestazioni delle stazioni base e dei router sotto carico pesante.

3. Conclusione

I dissipatori di calore sono fondamentali per la capacità dell'industria dei semiconduttori di gestire l'incessante aumento della generazione di calore. Le loro tecnologie di progettazione e produzione continuano ad evolversi, rispondendo alle esigenze delle applicazioni emergenti, aprendo la strada a soluzioni di raffreddamento più intelligenti e sostenibili. Mentre l'industria spinge i confini delle prestazioni e dell'integrazione, il ruolo di una gestione termica efficace crescerà solo in importanza.