Охлаждение микросхем: печатная плата и радиатор (часть 1) (страница 3)
реклама
Радиаторы
Исследование должно нести и практический смысл, поэтому при проведении тестирования будет использоваться некоторый набор разнотипных радиаторов.
Я не вижу особого смысла увеличивать спектр радиаторов – важно лишь обеспечить некоторую инвариантность – маленькие, большие, с редкими ребрами и с частыми.
Слева, направо: 1, 2, 3, 4/5, 6.
1. Довольно большой размер, маленькая ребристость. Площадь 10 см22. Более компактный и 'воздушный' вариант, может дать худшие результаты при интенсивном обдуве. Площадь 10 см2
3. Высокая 'ребристость', вряд ли подойдет под естественную конвекцию. Площадь 15 см2
4. Все параметры 'средние', но довольно большой размер. Площадь 30 см2
5. Полная копия №4, покрашен черной нитрокраской
6. ‘Огромный’ и 'воздушный' радиатор. Площадь 38 см2.
Кроме площади поверхности и типа исполнения (мера продуваемости) остальные параметры радиаторов интереса не представляют.
реклама
Радиаторы 1-3 могут быть установлены на любые из рассматриваемых корпусов. Остальные установить либо трудно, либо нельзя – на современных платах не так много свободного места.
BGA
Современный тип корпуса, обладает рядом достоинств – хорошая теплопередача в печатную плату, небольшая индуктивность и сопротивление выводов, весьма компактен. В тестировании участвовала микросхема памяти DDR в упаковке вида ‘Flip Chip PBGA’. Для памяти еще может применяться ‘Memory BOC’, но в тесте участвовал именно первый вариант.
Полупроводниковая пластина занимает значительную часть корпуса. Стоит отметить, что к верхней части корпуса обращена обратная сторона полупроводника и толщина заливки по верхней стороне порядка 0.4 мм. Попробую предположить, что основной упор в отводе тепла делается на переносе через выводы.
Размеры корпуса показаны на рисунке, измерения будут производиться при мощности рассеивания 2.5 Вт.
Первый тест
Посмотрим, насколько хорошо передается тепло на печатную плату. Микросхема квадратная и нет смысла строить графики для двух осей.
реклама
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
48.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Впрочем, пластина кремния в этом корпусе не квадратная, примерно 8х5 мм, поэтому уточню – данные снимались по длинной стороне (8 мм). Если взять по короткой, то особой разницы не наблюдалось.
На рисунке выше отмечена длина корпуса (коричневый) и пластины кремния (серый, чуть короче).
Сразу хочется отметить несколько моментов:
- Температура крышки (‘верх’ в таблице) и обратной стороны печатной платы практически не отличаются. Это говорит о очень хорошем теплоотводе по шариковым выводам и вообще, высокой теплопередаче внутри корпуса.
- Температура верхней поверхности микросхемы и печатной платы под ней не отличаются, отсюда можно предположить примерно такую же (лишь чуть больше) температуру кристалла. Поэтому данные в контрольной точке на печатной плате (под микросхемой, в центре) будут использоваться в измерениях как температура корпуса, примерно равная температуре кристалла.
- В пределах кристалла температура под микросхемой одинаковая, с учетом краевого эффекта.
- Многослойная печатная плата весьма эффективно распространяет тепло.
Последний пункт особо интересен – в печатной плате действительно много слоев. И это медь, материал с высокой теплопроводностью. Например, десятислойная плата несет десять слоев меди. Для внешних слоев обычно идет тонкая медь, 35 мкм, а на внутренние - 75 мкм. В сумме выходит до 0.67 мм. Гм, наверно правы были те, кто предложил компоновку BGA – многослойная плата может работать и как теплоотвод.
Возьмем центральную зону микросхемы на плате и взглянем подробнее.
1. Корпус микросхемы
2. Пластина полупроводника, рабочий слой внизу
3. Зона трассировки
4. Выводы микросхемы
5. Печатная плата
6. Слои меди в плате
7. Переходное отверстие
Как видно из рисунка, тепло от полупроводникового кристалла, минуя зону трассировки, передается прямо на выводы и далее распространяется в плату двумя путями – от контактных площадок выводов и через переходные отверстия. На рисунке все 'красное' – это медь и наглядно видно, что её много. Теплопроводность материала FR4, из которого чаще всего собирают печатные платы, довольно низкая, но введение множества слоев меди кардинально меняют дело. Впрочем, я несколько забежал вперед паровоза.
Важно здесь другое, сделаем структурную схему.
В тесте используется обдув вентилятором, но и без принудительного охлаждения механизм остается прежним, просто тепло рассеивается нагреванием (и движением) прилегающего воздуха.
Воздушный поток охлаждает как полупроводниковую пластину (дополнительный радиатор и тонкий слой корпуса над кристаллом пока опустим), так и печатную плату. Тепло из полупроводника удаляется либо непосредственно, благодаря обдуву, либо через печатную плату, и вот тут наступают трудности. Во-первых, ‘выводы’ у микросхемы чаще всего делаются из свинца, но это пустяки. Во-вторых, плата далеко не идеальный теплопроводник. На картинке желтыми линиями показан путь прохода тепла:
1. Тепловое сопротивление по толщине платы. Как правило, трассировка BGA требует использования большого количества переходных отверстий (порядка х0.7 ... х1.2 от количества выводов), что сильно уменьшает величину тепловых потерь.
2. Тепловое сопротивление вдоль платы. Переходные отверстия здесь скорее вредят, ведь вокруг них должна быть зона без трассировки. Но, как правило, в многослойных платах несколько внутренних слоев земли и питания, что хорошо распределяет тепло вдоль пластины. Обычно, верхний слой сигнальный, прямо под ним земля и затем питание. Хотя, в тестовой плате земля и питание были переставлены местами. Я не зря сделал акцент на трассировке земли – значительная часть выводов микросхемы это земля. И близкое расположение слоя земли означает хороший тепловой контакт.
реклама
Небольшой предварительный анализ.
Температура полупроводника зависит как от эффективности отвода тепла двух поверхностей – самого полупроводника и печатной платы, так и от теплового сопротивления между полупроводником и активной зоной платы. Иначе говоря, температура кристалла зависит от двух путей передачи тепла:
1. Прямой, тепло отдается за счет обдува полупроводниковой пластины (или радиатора над ней).
2. Через печатную плату. Здесь задействованы гораздо большие площади поверхности, но тепловые сопротивления '1' и '2' (смотреть структурную схему) снижают эффективность.
Короче говоря, есть два параллельных пути отвода тепла. В зоне пластины нагрев одинаков, а за этой границей температура падает примерно в два раза и начинают сказываться потери '2' (смотреть структурную схему) вдоль платы. Обратите внимание, температура печатной платы, по ее длине, меняется мало – это говорит о большом количестве меди в плате. А основные потери возникают в зоне сочленения микросхемы и платы.
Тепловые потери зависят не только от меры теплопроводности материала, но и от длины периметра. Микросхема маленькая и периметр передачи тепла небольшой (порядка 10х10 мм). Если бы микросхема была больше, то возрос и периметр передачи тепла в плату, что снизило бы тепловые потери.
Второй тест
Использование дополнительных радиаторов и различной скорости обдува.
В таблице приведена зависимость температуры перегрева к воздуху в помещении от напряжения питания вентилятора и типа дополнительного радиатора.
|
|
|
|
|
|
Без радиатора |
|
|
|
|
|
1 (10 см2) |
|
|
|
|
|
2 (10 см 2) |
|
|
|
|
|
3 (15 см2) |
|
|
|
|
|
4 (30 см2) |
|
|
|
|
|
5 (#4, черный) |
|
|
|
|
|
6 (38 см2) |
|
|
|
|
|
Или то же, графически.
Между напряжением 0 и 3.5 В вентилятор не крутится, поэтому график в этой зоне физического смысла не несет. Это замечание относится ко всем аналогичным графикам в статье.
Перейдем к анализу и начнем с режима без дополнительного радиатора (верхний график).
Если сравнить режим без обдува для случая 'без радиатора' и с самым большим радиатором (38 см 2), то замечается почти двукратное падение температуры. Из рассмотрения структурной схемы следовало, что есть два пути отвода тепла – от полупроводниковой пластины через верх микросхемы и посредством печатной платы. Если температура упала в два раза, значит эти пути равны по эффективности. Предполагается, что без обдува эффективность отвода тепла через небольшую поверхность крышки микросхемы незначительна. Сравните, поверхность микросхемы 11х11 мм = 1.21 см 2, а сопутствующей печатной платы порядка 5 х 6 см х 2 стороны = 60 см2.
Итак, первый полезный вывод - радиатор в 40 см2 примерно соответствует плате в 60 см2. Конечно, сравнение грубое, но пока всё логично - печатная плата работает как радиатор соответствующего размера.
Второй вывод можно сделать при сравнении тех же двух графиков, но только для случая при очень сильном обдуве. Если бы не существовало вредоносного влияния термосопротивления '2' (смотреть структурную схему) по периметру микросхемы, то при высокой скорости обдува их показания так же отличались бы в два раза. Но этого не происходит – для радиатора это 9.6 градуса, а без оного – 25.6, что совсем не ‘в два раза’.
Из этой зависимости можно вычислить тепловое сопротивление потерь в переходе микросхема-плата. Можно, но смысла мало, поскольку оно уже есть, и изменить его нельзя – металлическую пластину с обратной стороны не поставить, мешают блокировочные конденсаторы и прочая «живность».
Второй полезный вывод – тепловое сопротивление потерь на переходе микросхема-плата конечно и оно оказывает влияние на эффективность отвода тепла через плату. Важно - для упаковки BGA и многослойной печатной платы данное термосопротивление не столь существенно.
Переходим к радиаторам.
На микросхему такого размера можно поставить радиаторы с номерами 1-3, но посмотрим на графики – они все недостаточно эффективны и, вообще, показывают одинаковые результаты. Взглянем внимательнее.
- Радиатор № 1, к нему нет никаких претензий, кроме чрезмерно большой длины.
- Радиатор № 2 – занимает меньшую площадь на микросхеме, довольно 'ажурен' для нормального продувания естественной конвекции. По эффективности выиграть у первого варианта он не способен, а вот проиграть может. Посмотрите на высокую скорость обдува, между 1 и 2 разница в 0.7 градуса. Впрочем, это такая мелочь!
- Радиатор № 3. Ой. Площадь поверхности в полтора раза больше, но она абсолютно бесполезна! Частые ребра блокируют протекание воздуха через них и его общая эффективность не лучше первых двух вариантов.
Радиатор № 4 и № 5 – два одинаковых радиатора, но № 5 дополнительно покрашен в черный цвет. Теория гласит, что черненая поверхность рассеивает тепло лучше блестящей. Как-то делал небольшое исследование по измерению эффективности рассеивания тепла черненой и нечерненой пластины, разница оказалась двукратной. Но это пластина, а тут радиатор – его поверхность излучения не так развита (значительный процент излученной энергии поглощается самим же радиатором). Как показал тест – разницы в цвете покрытия нет. Даже больше, дополнительное покрытие увеличивает термосопротивление радиатор-воздух, что хорошо видно для высокой скорости обдува – 10.6 градуса против 10.8 на окрашенном. Впрочем, это тоже мелочь!
Радиаторы № 4 и № 5 показывают сносную эффективность, но для получения достойных результатов требуется что-то бо́льшее. Вот № 6 уже интереснее, но его геометрические размеры просто недопустимы для данного типа корпуса. Гм, отчасти я понимаю тех, кто использует тепловые трубки и объемные радиаторы.
Окончание здесь.
реклама
Теги
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила