Окончание. Начало здесь.

Оглавление

• TSOP
• D2PAK
• DPAK
• LFPAK
• DirectFET
• Общие вопросы
• Практическое применение
• Выводы

TSOP

Данный тип упаковки несколько устарел, но он еще остается интересным – существуют похожие корпуса в несколько ином исполнении, но с аналогичными тепловыми характеристиками. Как-то SOIC, LQFP и им подобные. Впрочем, пока остановимся на обычной TSOP в версии для микросхем памяти.

Смешно, но в корпусе оказался полупроводниковый кристалл примерно такого же размера, что и в рассмотренном ранее BGA. Что ж, тем интереснее будет сравнение.

Для тестирования BGA использовалась мощность 2.5 Вт, значит и здесь будет так же. Размеры корпуса показаны на рисунке.

Первый тест

Посмотрим, насколько хорошо передается тепло на печатную плату. В отличие от BGA, упаковка не квадратная, поэтому данные надо снять по двум осям.

Вдоль длинной стороны:

И короткой:

Дополнительно – температура по верхней поверхности микросхемы:

На верхней поверхности микросхемы, в центре, температура составила 80 градуса. У BGA было 48. Гм.

Зеленый график по длинной стороне, коричневый – по короткой.

Как и ранее для BGA, на этом графике внизу отмечены длины корпуса и пластины полупроводника для длинной и короткой сторон.

Первое впечатление – не график, а ерунда какая-то, особенно если вдуматься в цифру '80 градусов' – температуру верхней поверхности микросхемы. Сие безобразие может означать лишь одно, микросхема плохо отдает тепло печатной плате.

Второй тест

Использование дополнительных радиаторов и различной скорости обдува.

Корпус TSOP ведет себя странно и в нём нельзя отождествить температуру кристалла, данные замеров будут дополнены температурой полупроводниковой пластины. В тесте и так много чисел, поэтому количество радиаторов будет сокращено до разумного минимума:

• ‘Без радиатора’ – типовой случай, от него отказаться нельзя.
• №3 (15 см²) – довольно частый вариант 'приделывания' радиатора в горячих точках.
• №4 (30 см²) – как часть одного большого радиатора.
• ‘4 + прокладка’ – предыдущий вариант, но установленный через термопрокладку. Смысл в том, что групповые радиаторы не ставят прямо на компоненты, а обязательно добавляют термопрокладку, которая сглаживает неодинаковость высот компонентов.

Температура центра верхней поверхности микросхемы или радиатора, если он устанавливается.

При установке радиатора температура снижается (гм, а что, должно быть иначе?), но эффект различен. Радиатор №3 (15 см²) снижает температуру где-то в два раза. Что интересно, при увеличении скорости обдува выигрыш от применения радиатора растет – если без обдува эффект составил х1.8 раза, то на высокой скорости обдува (7 вольт) он повышается до трех раз. Причина в неидеальном термосопротивлении корпуса микросхемы. Именно корпус своей верхней поверхностью рассеивает тепло.

Но это не металл и его коэффициент теплопередачи низок. Чем выше скорость обдува, тем меньшая часть поверхности корпуса будет работать эффективно. У дискретного радиатора эти проблемы выражены менее ярко, ведь он выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопередачи (один из видов алюминия).

Про оставшиеся два радиатора, точнее один, но 'без' и 'с' термопрокладкой, что-то особо мудрое сказать не получится. В данном тесте деструктивное влияние термопрокладки не выявлено.

Температура на печатной плате под центром микросхемы (с обратной стороны).

Интересно. Другая точка измерения и другие зависимости. Понятно, что установка радиатора снижает температуру, но почему стала проявляться вредоносная сущность термопрокладки? При измерении температуры сверху графики 'без' и 'с' слились в один, а сейчас нет. Впрочем, это не последнее чудо в статье, не будем забивать себе голову. Объяснить можно, физика процесса довольно простая, но всё это 'от лукавого', температуры снаружи микросхемы никому не нужны. Единственно, что ценно – это температура кристалла, ведь только она определяет как качество охлаждения, так и меру надежности функционирования компонента.

Температура полупроводникового кристалла.

Стоп-стоп, это уже было! Если перемотать вверх и посмотреть измерение корпуса BGA, то там тоже не было никакой существенной разницы между радиаторами 1-4. Опять два радиатора показывают одинаковую эффективность, при этом их рабочая поверхность различается в два раза, 15 см² и 30 см². Обратите внимание, что при измерении на внешних точках микросхемы разница по радиаторам четко прослеживалась. Что до термопрокладки, то ее отрицательное влияние заметно довольно четко, чего не было при измерении на внешних точках.

Этот корпус является чем-то общим для большинства существующих, поэтому разберем его несколько подробнее.

Первый момент, который хочется прояснить, это трассировка выводов. Если посмотреть на этот слой, то он выглядит так:

Да, именно так – практически весь слой занят проводниками. Проволочки из меди это хорошо? Только отчасти. Против самой меди никаких возражений нет, она замечательно распределяет тепло. Причем, обратите внимание, тепло как раз идет вдоль проводников, из центральной части к периферийной. Если бы тепло распространялось поперек трасс, то эффективность передач тепла от медных проводников был бы не столь велика. Увы, 'ложка дегтя' уже приготовлена.

Проводники разносят тепло от края кристалла, но он-то почти не нагревается, основное тепло выделяется в центральной части кристалла. Есть разные технологии изготовления структур в полупроводниковой пластине, и далеко не все позволяют изготавливать активные элементы под выводами. Чаще всего в зоне соединения делается специальный карман (изолированная зона), который позволяет нормально работать устройству даже при нарушении изоляции между слоем трассировки и кристаллом. Попробую предположить, что под выводами ничего не греется, поэтому они не могут отводить тепло достаточно эффективно.

Для контрпримера можно привести BGA – там выводы (свинцовые шарики) ставятся прямо на трассировку кристалла, по всему 'телу' этого кристалла, что крайне эффективно отводит тепло из него. При рассмотрении упаковки BGA я взял маленький корпус, ну а в больших корпусах специально в центре устанавливают 'тепловые' выводы (шарики). Их цель – отвести тепло от кристалла. Здесь же этого нет, нагревающийся кристалл не может отдать тепло в слой выводов. Увы, но так сделали. Пожалуйста, запомните – когда встречается подобный тип выводов, то из него всегда следует этот неутешительный диагноз.

Теперь посмотрим на проблему с другого ракурса, на место соединения вывода и кристалла.

Вывод ложится прямо на кристалл, на его периферийную часть. Точнее, над кристаллом есть слой трассировки, но рисовать его, даже условно, довольно кощунственно – он очень тонкий.

Однако если все же присмотреться к этой картинке, то всплывет второй момент – неизбежно большая толщина корпуса над кристаллом. Обратите внимание – вывод над кристаллом, но корпус должен закрывать выводы. В результате, над выводом надо оставить какую-то минимальную толщину, но это означает, что над кристаллом этот промежуток и еще толщина вывода. Отсюда вытекает второе заключение – при таком способе подключения проводников над кристаллом будет довольно много материала с посредственной тепловой передачей. Смешно, два свойства, типичные для семейства упаковки, и оба негативны.

Третий тест

Особенность разводки микросхем в корпусе TSOP в том, что их удобнее ставить одну под другой. При этом сразу же возникает вопрос о передачи тепла между микросхемами. Бывают случаи, когда производители аппаратуры устанавливают радиаторы только с одной стороны, оставляя другую сторону без специального рассеивания тепла. При этом следует аргументация, что тепловая передача между микросхемами очень хороша и одна будет охлаждать вторую. Что ж, это возможно, но все же проверим.

Для проведения теста был взята видеокарта с установленными микросхемами TSOP с обеих сторон печатной платы. Остается только применить ту же методику и посмотреть результаты. Печатная плата и микросхемы несколько отличаются от ранее использованных, поэтому будут протестирована как одинарная, так и двойная установка.

Наверно, стоит сократить и количество радиаторов – не в них цель данного вопроса.

Одна микросхема, температура верхней поверхности (или радиатора):

Пока всё логично, чем больше радиатор, тем меньше температура. Впрочем, червячок гложет – в предыдущем тесте все начиналось так же, а закончилось полным недоумением.

Одна микросхема, температура низа (на печатной плате):

Тоже логично, хотя смущают 'запутавшиеся ноги' у радиаторов на очень высокой скорости обдува … нет, все верно – у радиатора №3 более толстое основание и он лучше переносит высокую скорость воздушного потока. Но почему это не проявилось на верхней точке?

Две микросхемы, температура верхней поверхности (или радиатора):

Результаты напоминают снятые ранее для одной микросхемы.

Две микросхемы, температура поверхности нижней микросхемы:

И вот теперь 'ой'. Если вы не заметили, то график идет не до нуля, а только до +65 градусов. Да, внешне он выглядит как тот, что был снят немного выше для одной микросхемы, но это только внешне. Фактически, охлаждение лишь одной микросхемы при 'парной' установке ничего не дает на практике, поскольку они не могут эффективно передавать тепло через выводы. Радиатор придется ставить на обе микросхемы, без вариантов.

Позвольте еще уточнить. Данный тип упаковки страдает тем же классическим дефектом – его корпус немного приподнят над платой. Это делается для того, чтобы гарантировать прилегание выводов к контактным площадкам печатной платы. У формовки выводов и у литья корпуса есть разброс размеров, поэтому под дном остается зазор порядка 0.1 мм. Если посмотреть на просвет, то он отчетливо заметен.

Именно поэтому у меня творилось черт-те-что с передачей тепла с нижней части микросхемы – она просто не касалась платы и всё. Для очистки совести скажу, что я пробовал заливать в эту щель техническое масло, но на цифрах это никак не отразилось, метод не сработал. Конечно, можно демонтировать микросхему, нанести подходящую термопасту и поставить микросхему назад, но вряд ли кто в здравом рассудке на это решится – положительный эффект действия может и не последовать, а гарантия на устройство закончится сразу.

D2PAK

Этот тип упаковки тоже довольно старый, но все еще встречается. В моем случае будет проверяться эффективность отвода тепла через верхнюю поверхность транзистора, поэтому и ракурс соответствующий.

Конкретно, в тестировании примет участие MOSFET FDB6670AL фирмы Fairchild (6.5 мОм, 30 В, тепловое сопротивление кристалл-среда 62 градуса на ватт).

Обратите внимание, это единственный случай для всей статьи, где применяется 5 Вт. При исследовании всех остальных корпусов используется мощность 2.5 Вт.

Первый тест

Измерение качества передачи тепла по печатной плате.

Этот корпус не квадратный и по разным направлениям теплоотдача несколько различается, но это такие мелочи, не стоит обращать внимание. Снимем по одной оси.

Для справки, внутренняя температура кристалла составила 66.2 градуса.

В данных есть небольшие нарушения монотонности, что вызвано неоднородностями печатной платы.

Второй тест

Использование дополнительных радиаторов и различной скорости обдува.

У этого корпуса повышенная мощность рассеивания, поэтому стоит перейти к более серьезным радиаторам. Радиатор номер 6 выбран из тех условий, что он занимает большую площадь и перекрывает обдув платы.

Вначале температура верхней поверхности (или радиатора):

Гм, а ведь действительно перекрыл. Посмотрите на данные радиатора №6 – на самой высокой скорости продува он проиграл радиатору №4. Увы, опять введение термопрокладки портит результаты, вариант '4 + прокладка' стабильно проигрывает «простому» номеру 4. Кроме этого досадного момента, ничего необычного не наблюдается, радиатор с большей поверхностью эффективнее других с меньшей.

Температура на печатной плате под центром микросхемы (с обратной стороны):

М-да, смена ракурса принесла новые радости.

Если в наличии есть обдув, даже совсем слабый, то установка радиатора увеличивает температуру под транзистором. Это логично, ведь ухудшается охлаждение платы.

Из неприятного следует отметить, что все радиаторы, принявшие участие в тесте, показали одинаковую эффективность. Ну, кроме случая с термопрокладкой, с ней очевидное ухудшение. Будем детально копать? Нет, не стоит – лучше потратить усилия на температуру кристалла, ведь только она и ценна.

Температура кристалла:

Жуть-жуть-жуть.

Мало того, что все радиаторы собрались в один график, который, к слову, почти не отличается от нормального режима 'без радиатора', так еще и применение термопрокладки делает работу хуже, чем было изначально. Обратите внимание на зеленый и синий графики. Как только появляется хоть какой-то обдув, то радиатор с термопрокладкой работает хуже случая без радиатора вовсе. Извините, повторюсь – при установке группового радиатора на силовые транзисторы всегда (всегда!) ставится термопрокладка. Ее цель – выбрать разность высот компонентов, то есть ее применение неизбежно. Теперь вернемся к рисунку – применение этой термопрокладки приведет к очевидному. Увы.

У корпуса очень 'толстая' крышка, ну не предназначен он для отвода тепла через верх и всё.

DPAK

Этот тип упаковки мало чем отличается от D2PAK, разве что немного меньше. Есть шанс, что у него и проблемы те же, посмотрим.

Цифры меньше, но идеология аналогична D2PAK. Полупроводниковый кристалл смещен к краю, что дополнительно ухудшает отвод тепла через верх. Хотя если рассматривать разных производителей и номенклатуру транзисторов, то попадаются различные варианты расположения кристалла на медной подложке. Чаще всего встречается два варианта – как на рисунке, в центре подложки (и, соответственно, у края корпуса) и левее, ближе к центру корпуса. Размер кристалла так же зависит от того, какой это транзистор. У кристалла средней мощности размер порядка 1.5х2 мм, повышенной - 2х3 мм. Ориентация – короткой стороной 'на зрителя' (смотреть рисунок).

Когда разбирал, обнаружил одну странность – в ряде транзисторов толщина медной пластины не одинакова по всей длине. Если посмотреть на то, что видно наружи, то хочется думать, будто и внутри толщина пластины тоже 0.8 мм. Ан нет, в невидимой части пластины толщина уменьшается на 20-30 процентов. Сложно сказать, чем вызвано это действие, не удалось уместиться в высоту упаковки или же производитель пожелал сэкономить 'пару чатлов'. Короче, видя 0.8 мм пластину, не верьте глазам своим, бывает всякое.

Температура кристалла:

Зависимости напоминают ранее рассмотренный D2PAK, хотя есть и отличия. Без обдува температуры меньше, но и эффект от применения вентилятора выражен в меньшей степени. Попробую предположить, что виною тому маленькие размеры корпуса, что увеличивает потери тепла вокруг корпуса на переходе транзистор – плата.

У рассматриваемого корпуса меньше расстояние между кристаллом и верхней поверхностью, поэтому эффект от применения радиатора может быть больший, так и вышло. Посмотрите, в D2PAK на очень высокой скорости обдува все графики практически сошлись в одной точке (кроме случая использования термопрокладки). В этом же корпусе такого не наблюдается, сохраняется выигрыш в 9 градусов.

LFPAK

Условно говоря, это еще очередной шаг в эволюции корпусов D2PAK, DPAK. Упаковка стала меньше и значительно тоньше. Впрочем, рассмотрим подробнее, это интересно. В данном типе корпуса перешли от соединения проводами к методу подключения типа TSOP – плоский вывод прямо подключается к кристаллу без использования проводников. Кроме того, самих выводов можно сделать несколько, что снизит сопротивление (и индуктивность) потерь. Данный прием позволяет кардинально уменьшить высоту корпуса.

Температура кристалла:

По техническим причинам был проверен только один радиатор, но это не существенно. И так хорошо видно, что существенно упали температуры как “без”, так и “с” обдувом. Для DPAK температура без обдува была 60.2 градуса, в этом корпусе только 57.8. Хотя если вдуматься в абсолютные цифры, особого восторга нет. Да стало чуть меньше, но почему? Если сравнивать с DPAK, то – габаритные размеры уменьшились, но медная пластина осталась примерно такого же размера. И, при этом, здорово упала ее толщина. Если в DPAK 0.8 мм (если производитель не 'сэкономил'), то в LFPAK только 0.25 мм.

Так что, уменьшение толщины корпуса компенсируется ухудшением отвода тепла медной пластиной и общий результат не слишком радостный. Похоже, этот корпус разрабатывали не для улучшения теплоотвода, а с целью повышения технологичности и снижения габаритных размеров. Отчасти их можно понять, в мобильный телефон D2PAK не поставить.

DirectFET

Этот тип упаковки продвигает International Rectifier.

Компонент небольшой, поэтому мощность рассевания оставим обычной - 2.5 Вт.

Температура кристалла:

Низкая температура при высокой скорости обдува в исследовании уже встречалась. Ничего нового. Или нет? Обратите внимание, здесь речь идет о температуре кристалла! Если сравнить эти графики с аналогичными (напомню, раздел 'температура кристалла') в других корпусах, то станет ясно – нет ничего даже близкого. DirectFET может и действительно способен эффективно отводить тепло, причем в обе стороны. Одна беда – размеры корпуса мизерные и добавление термопрокладки сказывается крайне негативно. Без изоляции групповой радиатор не поставить, а для дискретных слишком мало места.

Общие вопросы

От частного к общему. Ранее рассматривались конкретные упаковки компонентов, теперь стоит перейти к проблемам охлаждения в несколько иной плоскости.

Как сказывается теплоотвод в дне корпуса.

В корпусе транзисторов D2PAK и похожих, основание металлическое (медь), а у микросхем это не является обязательным условием. Но бывают модификации с металлической вставкой в дне. Один из классических корпусов – SOIC, но встречаются его разновидности с вставкой.

Впрочем, если говорить честно, подставка под кристалл используется в силовой электронике довольно часто. Ее назначение – распределить тепло от небольшой пластинки кремния на бо́льшую поверхность, что улучшает теплоотвод через корпус, даже без вывода тепла через дно. Если выделяется слишком высокая тепловая мощность и обычный корпус не справляется, то пластинку в центре устанавливают большей толщины, и она проходит через корпус до самого дна. Обычная же толщина площадки в центре столько же, сколько у выводов – они все изготавливаются (штампуются) одновременно из медной ленты.

Модификация с отводом через дно встречается в двух случаях:
1. В полупроводниковом кристалле рассеивается слишком много тепла, поверхности корпуса оказывается недостаточно и требуется отвод на внешний рассеивающий радиатор. В качестве последнего выступает печатная плата. Как показали тесты в этой статье, плата способна работать радиатором, хоть и не столь эффективно.
2. В микросхеме используются особо высокочастотные сигналы, подчас во множестве. В таком случае трассировать землю проводниками бессмысленно и лучше вывести ее через пластину в дне, что обеспечит низкую паразитную индуктивность соединений и в микросхеме и в электрической схеме, куда она подключается. Обычно, такие трассы выполняются полигонами (заливкой больших зон платы). Лично я столкнулся у этой неприятностью в микросхеме коммуникатора Ethernet фирмы Marvell – у нее вообще отсутствовала цепь «земля» на контактах, только центральная пластина. Понятное дело, что контроллеры Ethernet потребляют (и рассеивают) много энергии, но пластина с нижней стороны установлена не только по этой причине. Главное – именно низкая индуктивность.

Второй случай опустим, хотя и он встречается в компьютерной технике. Наверно, брать разные микросхемы было бы неверно, поэтому будет использоваться одна и та же микросхема (MP6001) с двумя вариантами монтажа – через бумажную прокладку (0.1 мм), препятствующую прямому тепловому контакту металла дна с платой; и нормальная установка с припаиванием металлического контакта на дне на плату. Напомню – в обычных корпусах (без вставки) между платой и дном оставляется небольшой промежуток. Поэтому тепловая изоляция с помощью листка бумаги ‘где-то’ корректна.

Рассеиваемая мощность оставляется типичной для этой статьи, 2.5 Вт. Хоть многовато, но пусть будет, для единообразия.

В тесте будут использоваться радиаторы, но основной акцент на использование теплоотвода через дно, поэтому способ представления результатов придется несколько видоизменить.

Без дополнительного радиатора, первые две строки – температура кристалла:

Прежде, чем переходить к оценке влияния установки дополнительных радиаторов хочется отметить важный момент. Микросхема впаивалась разными способами (с изоляцией металла дна листком бумаги или нормальная установка), но на одно и то же место. Проблема в том, что это была ровная металлизированная поверхность без каких-либо переходных отверстий.

Сравните степень влияния температуры печатной платы в нижней строке этой таблицы и того, что было ранее снято для BGA. Как говорится, 'небо и земля'. Разработчик с удовольствием 'натыкает' переходных отверстий в место припайки тепловой площадки, но вслед за этим обязательно последует вопль (извините, но так) от технолога – через эти дырки вытекает припой. И тут начинается война. Понятно, что так лучше, но следует стандартное клише 'это не технологично'. Поэтому не в каждой плате можно ожидать чуда от применения компонентов с теплоотводом в дне.

Переходим к установке дополнительных радиаторов.

Радиатор номер 2, 10 см². Температура кристалла:

Теперь всё вместе, графически:

Вообще-то, эффект есть. Как только был обеспечен хороший тепловой контакт дна микросхемы с печатной платой, то сразу последовало качественное улучшение. Во-первых, температура кристалла упала в два раза (гм, а где еще вы видели, чтоб простой доработкой так сильно падала температура кристалла?). Во-вторых, разность кристалл-плата стала довольно маленькой. Повторюсь, оно могло бы быть и лучше, но отсутствовали переходные отверстия, само тепло плохо переходило в толщу платы. К слову, в последних разработках такого гиганта промышленности, как фирма Intel, переходные отверстия в местах передачи тепла применяются очень часто.

Влияние окружения компонента.

Возможно, площадь меди в верхнем слое, на который устанавливается компонент, сказывается на характеристиках охлаждения. Второй элемент, который может оказать влияние – количество припоя, используемого при монтаже.

В качестве нагревательного элемента будет использован транзистор в корпусе DPAK при мощности 2.5 Вт.

Проверка влияния медной зоны вокруг компонента (DPAK), температура кристалла:

Интересно, что еще от 3 до 5 градусов можно выиграть, если просто нанести большее количество припоя вокруг металлической пластины компонента (вывод стока). Обычно же при монтаже компонентов не заботятся о теплопередаче через контактирующие поверхности, и это ошибка. Вокруг детали наибольшее сопротивление потерь и нанесение припоя может оказать реальную помощь.

Измерение качества передачи тепла по печатной плате.

До сих пор снимали градиент температур только для одного случая – без участия вентилятора. Но при искусственном охлаждении эффективность работы печатной платы должна упасть из-за сопротивления потерь передачи тепла вдоль платы. Повторим тест, но добавим работу вентилятора с очень маленькой и нормальной производительностью (3.5 и 7 вольт). Транзистор поменяем на D2PAK, для симуляции группы небольших транзисторов.

'Внт.' – температура кристалла, остальное снято с обратной стороны печатной платы, точка '0' под центром металлической пластина транзистора (D2PAK, 5 Вт).

В данных есть небольшие нарушения монотонности, что вызвано неоднородной печатной платой.

Эффективная длина радиатора зависит от скорости обдува, если исходить из границы пятидесятипроцентного снижения, то рабочая длина составит:

• Без обдува – 30 мм.
• Низкая скорость обдува (вентилятор 3.5 В) – 22.5 мм.
• Высокая скорость обдува (вентилятор 7 В) – 20 мм.

Прошу обратить внимание, измерения проводились от центра к периферийной части, поэтому общий размер длины получается в два раза больше.

Ориентация в пространстве и цвет печатной платы.

Печатная плата выполняет функцию радиатора и относительно успешно. Но для радиатора важна ориентация в пространстве и цвет его покрытия. Теплопередача может осуществляться за счет нагрева окружающего воздуха или посредством излучения. Если радиатор темного цвета, то эффективность передачи тепла излучением повышается, обещают улучшение отдачи до х1.7 раз. Может, стоит красить платы в черный цвет?

Тестовая установка простая – многослойная печатная плата 25х40 мм (10 см² х2 стороны), в центре припаян транзистор в корпусе DPAK. Мощность та же, что и в других тестах с этим транзистором, 2.5 Вт.

Полученные данные сведены в таблицу:

Неравномерность температуры в пределах стороны платы не превышает четырех градусов.

Изначально на печатной плате была защитная маска черного цвета. Для получения светлого цвета маска с обеих сторон удалялась. Теория говорит, что это должно было повлечь ухудшение эффективности в 1.7 раза, ведь передача тепла методом излучения уменьшилась во много раз. В реальности ухудшение работы составило всего лишь 25 процентов. Согласно теории, плоский радиатор лучше работает в вертикальном положении. Без маски это всего 18 процентов, а с маской едва ощутимо. Похоже, маска слишком толстая и мешает теплопередаче.

Средняя температура платы 50 градусов (температура обратной стороны не интересна), мощность 2.5 Вт, отсюда можно вычислить термосопротивление подобного 'радиатора' – 20 градусов на ватт при площади 10 см². Или, при 200 см² тепловое сопротивление 1 градус на ватт.

Ничего сверхнеобычного, специально перекрашивать плату в черный цвет точно не стоит. Но это объясняет любовь производителей к темным платам.

Тепловое сопротивление.

Для измерения теплового сопротивления потребуется много откалиброванного оборудования и материалов, что достаточно проблематично, поэтому просто измерим падение температуры на тестовом материале. В качестве генератора тепла возьмем транзистор в корпусе DPAK при мощности 2.5 Вт. Его активная поверхность отвода тепла примерно 5х5 мм.

Тепловые потери измерялись как разность температур между точками 'A' и 'B'.

Контрольные точки выбраны не слишком удачно, но этот способ выдержан для снятия характеристик всех материалов. Тепловые потери на двух переходах сред и термопасты учитываются.

Особенности проведения измерений:

• При измерении потерь в платах, нагревательный элемент к ним припаивался, а обратная сторона зачищалась от окислов и покрытий до чистой меди.
• В корпусах BGA и TSOP выбиралось место без полупроводникового кристалла, с краю.
• В качестве ’пластины из железа’ использовался небольшой фрагмент из конструкции системного блока.
• Теплопроводящие прокладки сняты из аппаратуры, поэтому точные характеристики неизвестны. Красный из фирменного блока питания, серый – из обычного китайского 'noname'.

Результаты:

Разница в температурах многослойной и обычной платы просто дикая. Понятно, что FR4 плохо проводит тепло, но чтоб тонкие прослойки меди были настолько эффективны…

Сама же теплопроводность корпусов не слишком хорошая, что вполне ожидаемо.

По термопрокладкам тоже не особо красивые цифры, но что есть, то есть. На их фоне керамика выглядит просто великолепно, но ее не удастся использовать в компьютерной технике – просто незачем. Назначение термопрокладок в выбирании различной высоты компонентов, а керамика жесткая и в этом вопросе не поможет. Какая именно была керамика в моем случае, сказать трудно. Судя по цвету и тепловому сопротивлению, это бериллиевая керамика.

Как использовать данные таблицы? Да очень просто – тепловое сопротивление железа известно, остальные цифры пересчитываются пропорционально.

Практическое применение

Для начала вы можете воспользоваться методикой расчета радиатора по материалу, опубликованному на сайте electrosad.ru (pdf, 186 Кб). Или можно вспомнить правило – ‘не грузи и не загрузим будешь’. На фабричные радиаторы есть технические характеристики, а с самодельными … можно применять упрощенные расчеты, ведь точные расчеты смысла не несут, очень уж много непредсказуемых параметров. Вы знаете тепловое сопротивление корпуса или печатной платы именно вашей системной платы? А ведь тепловая проводимость платы зависит, в том числе, и от трассировки ее внутренних слоев. При этом хорошо бы учесть, что с организацией обдува тоже подчас не всё хорошо.

Итак, упрощенный расчет. Если надо точнее, то, пожалуйста, воспользуйтесь приведенной выше ссылкой на методику, а по остальным вопросам – увы, только самостоятельные исследования и чтение документации по компонентам. К сожалению, 'общие' рекомендации слишком упрощены, местами дико.

Пункт 1 – тепловая мощность.

По преобразователям питания процессора все довольно просто, их КПД колеблется вокруг цифры 80%. При этом сразу следует учесть, что они проектируются на определенную мощность потребления и при превышении (или соразмерно) этой цифры КПД преобразования энергии начинает уменьшаться. Грубо говоря, стоит брать эффективность 82% для пониженной нагрузки, и 76% нормальной – для большой. Мощность потерь составит соответственно 22 и 32 процента от выходной мощности. Расчеты для низкой мощности производить труднее, даже при сильных упрощениях, ведь потери в компонентах преобразователя пропорциональны квадрату выходного тока.

Например, в материнской плате, рассчитанной на TDP 120 Вт, установлен процессор с потреблением 70 Вт. В данном случае нагрузка не является повышенной, ожидается предполагаемый КПД 82%. При этом от источника питания потребляется 70*100/82 = 85.4 Вт. Из этой цифры 70 Вт уходит в процессор, а 85.4-70 = 15.4 Вт рассеивается на элементах преобразователя.

Тот же случай, но с использованием более мощного (по потреблению) процессора с разгоном даст несколько иную картину. Если он потребляет 140 Вт (цифры условны), то предполагается снижение КПД преобразователя до 76%. Потери составят уже совсем другие цифры: 140*100/76 = 184.2 Вт от источника питания, или 184.2-140 = 44.2 Вт на элементы преобразователя.

Хочу сразу отметить, что далеко не все эти потери вызваны транзисторами. Что-то, и весьма большое, рассеивается на индуктивностях, трассировке и, немного - на конденсаторах. Как разделить полученную цифру на транзисторы и всех остальных? Всё очень сильно зависит от примененных компонентов. Скажем, две трети тепла рассеивается на транзисторах. Только не спрашивайте, откуда взялась цифра. А потолок надо побелить.

Итак, надо рассмотреть два варианта: 15.4х2/3 = 10 Вт и 44.2*2/3 = 29 Вт.

Пункт 2 – активная площадь поверхности печатной платы.

Давайте возьмем какую-нибудь материнскую плату и посмотрим, во что это выльется.

Например, Biostar TP67XE.

В этой плате используются компоненты в корпусе LFPAK, эффективно отдающие тепло в печатную плату. Прекрасно, расчеты можно вести без особых усложнений. Если бы компоненты плохо отводили тепло в плату, то расчет эффективности рассеивания тепла был бы чрезвычайно сложен и проще сразу переходить к выбору дискретного радиатора, игнорируя теплорассеивающие свойства платы.

Вначале уберем те участки, которые не могут отводить тепло от преобразователя.

Остается измерить оставшуюся поверхность. Если не учитывать зону нижнего левого края с надписью ‘BIOSTAR’, то получается два прямоугольника – верхний 55х120 мм и правый 45х85 мм.

Ранее рассматривалась эффективность отвода тепла печатной платой. Из полученных результатов выходило, что ширина более 60 мм не эффективна (поэтому игнорировали левую часть платы). В моем случае ширина 55 и 45 мм, что удовлетворяет условию без ограничений. В итоге получается площадь поверхности 55х120 + 45х85 = 104 см².

Есть один нюанс, который портит общее впечатление. Дело в том, что на плате расположены и другие компоненты, кроме преобразователя, и они тоже подогревают печатную плату. Для порядка, стоит отметить, что эти компоненты выступают как небольшие радиаторы и тоже рассеивают тепло. На данной картинке присутствует разъем процессора, и он (точнее, процессор) тоже греется. Но несильно, термозащита процессора настроена на температуру порядка 60 градусов по верхней крышке. Что до нижней части процессора, то она ниже температуры крышки. К тому же, между дном процессора и печатной платой находится прослойка контактов, которые не особо хорошо передают тепло. Так что, тепловой подогрев от процессора можно не учитывать.

Пункт 3 – площадь и мощность на один транзистор.

В преобразователе десять фаз, в каждой по три транзистора. Понятно, что тепловые потери не распределяются равномерно по всем компонентам, но и расчеты примерны.

На один транзистор приходится 104/(10*3) = 3.5 см² площади печатной платы. Мощность:
Первый вариант - 10/(10*3) = 0.33 Вт.
Второй вариант - 29/(10*3) = 0.97 Вт.

Извините, небольшое уточнение по методике. Ранее рассмотрены исследования при использовании достаточно больших участков печатной платы, которые во много раз превышают цифру 3.5 см², полученную в этом расчете. Это означает, что предыдущее исследование было неверным? Отнюдь, посмотрите внимательнее на картинку, транзисторы собраны в группу и тепло рассеивается довольно протяженным участком платы (45 и 55 мм).

Пункт 4 – расчет радиатора.

Если дана мощность и перегрев, то можно вычислить требуемую площадь поверхности. Для этого надо решить, сколько будет закладываться на перегрев. В системном блоке обычной температурой считается 35 градусов, выше 50 градусов компонент воспринимается как горячий. Выходит, что на перегрев остается 50-35 = 15 градусов.

Прошу заметить, эти рассуждения затрагивают температуру радиатора (печатной платы), у кристалла температура окажется несколько выше.

Для начала, попробуем обойтись без принудительного обдува.

Площадь поверхности платы (вернее, одной стороны) уже рассчитали. Далее, эту цифру надо умножить на 1.5, ведь у платы две стороны. Почему не удвоить? Здесь два момента:

• Во-первых, обратная сторона материнской платы рассеивает тепло не особо эффективно.
• Во-вторых, сама печатная плата сделана не из чистой меди и из-за потерь работает не столь эффективно.

После вычисления эффективной поверхности (приведенной к идеальной пластинке), к ней можно применить упрошенную формулу расчета – поверхность 300 см² нагревается на один градус при подведении мощности один ватт. Но можно обойтись еще более простым решением - ранее измеряли, для темной печатной платы (естественно многослойной) коэффициент 1 градус на ватт приходится на (одну сторону) поверхности 200 см².

Для наихудшего случая, 0.97 Вт, необходимая площадь радиатора составит 0.97*200/15 = 13 см².

Ну вот, настало время прослезиться. Если бы на плате под транзистор приходилось 13 см², то ни о каком радиаторе задумываться не пришлось. А так… только 3.5 см².

Если взять меньшую мощность (первому варианту требовалось только 0.33 Вт), то необходимая площадь радиатора составит 0.33*200/15 = 4.4 см².

Гм. Если не использовать дополнительный радиатор, то первый вариант вполне работоспособен, только перегрев будет уже 19 градусов вместо 15. Не смертельно, температура самого транзистора выйдет 54 градуса. Что до второго случая, то отсутствие радиатора скажет весьма жестко – перегрев 56 градусов или температура 91 градус.

Понятно, почему производитель этой материнской платы установил на транзисторы радиатор. В первом приближении, для нормального функционирования преобразователя нужен радиатор 13 см² * 30 = 390 см², довольно большого размера. Попробую высказать безосновательное предположение, что установленный производителем радиатор обладает эффективной поверхностью гораздо меньше требуемой, а значит, возникнет потребность в дополнительном обдуве.

Выводы

Война - ерунда, главное маневры!

Выводы, вторая попытка.

Ммм …. Выводы что-то совсем не пишутся, может статью почитаете?

Почти все корпуса обладают пластиковым (керамическим) верхом, что затрудняет отвод тепла через него. Можно поставить радиатор и/или обдувать мощным воздушным потоком, но всё равно эффект останется посредственным. Ну, не предназначены они для этого, что ж тут поделать. Причем, дело не облегчает тот факт, что кристалл находится достаточно глубоко под поверхностью.

Если в корпусе применяется соединение выводов того вида, что рассмотрено в разделе TSOP, то материал корпуса должен быть выше на толщину выводов и небольшой запас над ними, для электрической изоляции. Если же выводы утоплены в глубь корпуса, находятся вокруг кристалла (смотреть картинку в разделе QFN), то все равно требуется ощутимый запас над кристаллом, ведь проволочки соединения кристалл–выводы немного поднимаются над пластиной полупроводника. Именно поэтому я отдельно не тестировал такую распространенную сборку, как drMOS – смысла нет. Это все тот же 'TSOP', по методу подключения силовых выводов (а значит, и толщины верхней крышки над кристаллом); и QFN, по методу отвода тепла в печатную плату.

И по отводу тепла через пластину в дне. Обычный корпус, без вставок, несколько поднят над платой и очень плохо отдает тепло через дно. Зазор оставлен не по чьей-то особой вредности, это требуется технологически – на печатной плате могут быть локальные дефекты (защитной маски, маркировки, рельефность многослойной платы), да и при формовке выводов и изготовлении корпуса существует разброс параметров.

Основная задача корпуса SMD – гарантировать надежное прилегание выводов, всех выводов, к контактным площадкам печатной платы. Отсюда и появляется зазор между корпусом и платой. Он небольшой, но теплоизоляционные свойства у него 'хорошие'. Если компонент выделяет много тепла, то может быть применена модифицированная редакция корпуса, с металлической пластинкой в дне. При этом полупроводниковый кристалл монтируется на эту пластину, иначе нет смысла городить огород. Решение хорошее, но почему оно не распространено? Если забыть про немного возросшую стоимость корпуса и затаривания кристалла, то остается весьма серьезная проблема – ‘металлическое’ дно мешает трассировке платы.

Нельзя просто так положить подобный корпус на плату, защитная маска не может гарантировать отсутствия замыкания. Даже если выкрутить руки технологам и поставить, то всё равно плохо – в современной электронике все цепи представляют собой линии, а у них есть вполне определенный импеданс. И поскольку металл дна находится прямо над проводниками, то импеданс будет изменен и не соответствовать расчетному. Если у цепи импеданс меняется на своем протяжении, то возникают частичные локальные отражения и форма сигнала искажается.

Поэтому, если используется корпус с металлом в дне, то соответствующую зону платы приходится изолировать от трассировки. Обычно если металл в дне есть, то он занимает значительную ее часть, что неизбежно сказывается на качестве трассировки цепей – банально меньше места. Поэтому хоть сами по себе вставки и полезны, но их не ставят по объективным причинам. Впрочем, стоит отметить – в микросхемах довольно часто устанавливают полупроводниковые кристаллы на теплораспределительные пластины, просто они не видны, будучи изолированы в корпусе. При этом улучшается отвод тепла, а внешне корпус выглядит традиционным.

К слову, я как-то смотрел микросхемы SDRAM в корпусе TSOP – в них использовался полупроводниковый кристалл огромного размера, во всё пространство корпуса. При этом кристалл был смонтирован на тонкой медной пластинке. Микросхемы памяти крайне чувствительны к локальному нагреву, поэтому введение пластинки весьма оправдано.

Типы корпусов влияют на механизм охлаждения. Если в упаковке не предусмотрен отвод тепла в плату (TSOP, SOIC и аналогичные), то не следует рассчитывать на эффективный отвод тепла средствами печатной платы. В случае корпуса с развитой поверхностью можно возложить надежды на обдув. А иначе придется устанавливать дополнительный радиатор.

Термопрокладки есть зло, их вредоносная сущность четко отразилась в измерениях. В ряде корпусов введение этого элемента приводит к результату худшему, чем без радиатора вовсе. Увы, при применении группового радиатора, общего на несколько корпусов, без данного зла не обойтись – хоть немного, но корпуса отличаются по толщине, а термопрокладка призвана выбрать разницу. Часть корпусов просто обязывает применение термопрокладки, ведь у них металлический верх, у которого есть электрический контакт со схемой.

Локальные радиаторы лучше группового, ведь не требуют использования термопрокладки, но размеры и форма такого радиатора должна быть соответствующие – большой объем (точнее - поверхность), редкие и высокие иглы или ребра. Обычный размер компонента 5х5 … 10х10 мм, что затрудняет подбор достойного радиатора. Посмотрите результаты тестирования, радиаторы 10 см² … 20 см² не могут оказать существенного эффекта без принудительного обдува, а это уже весьма крупные конструкции.

Если компонент перегревается, то более эффективно применение обдува, чем установка радиатора. Причина тривиальна – большое тепловое сопротивление через верхнюю крышку. Корпуса просто не предназначены для отвода тепла через верх. Про упаковку DirectFET пока не будем вспоминать, поскольку она не особо распространена. А жаль.