Охлаждение микросхем: печатная плата и радиатор (часть 2) (страница 2)
реклама
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.
реклама
Этот корпус не квадратный и по разным направлениям теплоотдача несколько различается, но это такие мелочи, не стоит обращать внимание. Снимем по одной оси.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
38.7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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):
реклама
|
|
|
|
|
|
Без радиатора |
|
|
|
|
|
3 (15 см2) |
|
|
|
|
|
4 (30 см2) |
|
|
|
|
|
4 + прокладка |
|
|
|
|
|
6 (38 см2) |
|
|
|
|
|
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):
|
|
|
|
|
|
Без радиатора |
|
|
|
|
|
3 (15 см2) |
|
|
|
|
|
4 (30 см2) |
|
|
|
|
|
4 + прокладка |
|
|
|
|
|
6 (38 см2) |
|
|
|
|
|
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:
|
|
|
|
|
|
Без радиатора |
|
|
|
|
|
3 (15 см2) |
|
|
|
|
|
4 (30 см2) |
|
|
|
|
|
4 + прокладка |
|
|
|
|
|
6 (38 см2) |
|
|
|
|
|
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.
реклама
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:
|
|
|
|
|
|
Без радиатора |
|
|
|
|
|
3 (15 см2) |
|
|
|
|
|
4 (30 см2) + прокладка |
|
|
|
|
|
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:
|
|
|
|
|
|
Без радиатора |
|
|
|
|
|
3 (15 см2) |
|
|
|
|
|
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:
|
|
|
|
|
|
Без радиатора |
|
|
|
|
|
2 (10 см2) |
|
|
|
|
|
3 (15 см2) |
|
|
|
|
|
3 + прокладка |
|
|
|
|
|
4 (30 см2) |
|
|
|
|
|
4 + прокладка |
|
|
|
|
|
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:
особенность |
|
|
|
|
|
Дно не припаяно |
|
|
|
|
|
Дно припаяно |
|
|
|
|
|
Печатная плата |
|
|
|
|
|
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:
особенность |
|
|
|
|
|
Дно не припаяно |
|
|
|
|
|
Дно припаяно |
|
|
|
|
|
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.
реклама
Страницы материала
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