Охлаждение микросхем: печатная плата и радиатор (часть 2)

20 июня 2011, понедельник 00:00
для раздела Лаборатория

Окончание. Начало здесь.

Оглавление

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.

248x166  1 KB

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:

0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
22.5
25
48
47.5
46.3
46
43.6
40
38.8
37.4
35.6
34
33.2

И короткой:

0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
48
44.5
39.4
37
35.7
32.6
31

Дополнительно – температура по верхней поверхности микросхемы:

0
2.5
5
7.5
10
80
79
73
55
41

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

300x250  2 KB

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.

Номер радиатора
Без обдува
3.5 В
5 В
7 В
12 В
Без радиатора
71.3
57.7
52.1
47.5
42.4
3 (15 см2)
39.5
27.7
19.8
15.9
12.4
4 (30 см2)
31.4
18.4
11.6
8.9
6.3
4 + прокладка
31.9
17.9
11.8
8.8
6.3

400x400  3 KB

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).

Номер радиатора
Без обдува
3.5 В
5 В
7 В
12 В
Без радиатора
27.4
19.7
16.4
13.5
11.3
3 (15 см2)
25
16
11.3
8.4
6.3
4 (30 см2)
21
13.4
8.6
6.8
5.1
4 + прокладка
22.8
13.8
9.5
7.4
6

400x400  4 KB

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.

Номер радиатора
Без обдува
3.5 В
5 В
7 В
12 В
Без радиатора
71
64
61
59
56
3 (15 см2)
43
35.7
31.3
29
27.2
4 (30 см2)
42.6
35.4
31.3
29.7
28.2
4 + прокладка
47
39
35.5
33.9
32.5

400x400  3 KB

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:

300x162  21 KB

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.

270x70  0 KB

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):

Номер радиатора
Без обдува
3.5 В
5 В
7 В
12 В
Без радиатора
97
73.8
65
54.4
46.5
3 (15 см2)
59
34
27
13.5
12.2
4 (30 см2)
39.5
16.6
11
7.1
6.9

350x350  3 KB

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):

Номер радиатора
Без обдува
3.5 В
5 В
7 В
12 В
Без радиатора
43
29
20.6
18.8
14.5
3 (15 см2)
40
22
15.9
10.7
6.3
4 (30 см2)
38.5
18.9
12.3
9.2
7.2

350x350  3 KB

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):

Номер радиатора
Без обдува
3.5 В
5 В
7 В
12 В
Без радиатора
99
80
78
67
58
3 (15 см2)
50
32
20.5
17
12
4 (30 см2)
49
22
9.5
7
5.6

350x350  3 KB

Результаты напоминают снятые ранее для одной микросхемы.

Две микросхемы, температура поверхности нижней микросхемы:

Номер радиатора
Без обдува
3.5 В
5 В
7 В
12 В
Без радиатора
114
88
82.5
80.6
75
3 (15 см2)
113
86
80
74
70
4 (30 см2)
114
90
81
76
69

350x350  3 KB

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.

Страница 1 из 3
Оценитe материал

Комментарии 53 Правила

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают