Quando nei dispositivi a semiconduttore era comune l’impiego di dissipatori di calore, la valutazione dell’aumento di temperatura era abbastanza semplice: l’avvento di package avanzati ha contribuito a complicare il problema.
Fig. 1 – Il calore si diffonde lateralmente e quindi fluisce dalla scheda a circuito stampato all’ambiente
Oggi invece il problema è più complesso in quanto, per motivi legati ai costi e alle dimensioni, si tende a eliminare i dissipatori. I dispositivi a semiconduttore montati in package con migliori prestazioni termiche richiedono che la scheda a circuito stampato funzioni da dissipatore, assicurando tutto il raffreddamento necessario. Come illustrato nella figura 1, il calore fluisce attraverso una linguetta metallica di fissaggio (PowerPad) e i conduttori (Leads) del package sino alla scheda a circuito stampato, quindi lateralmente attraverso le piste e la superficie della scheda, fino a dissiparsi nell’ambiente per convezione naturale. I fattori principali che influiscono sull’aumento di temperatura della piastrina (“Die”) sono la quantità di rame contenuta nella scheda e la superficie disponibile per la trasmissione del calore per convezione.
Fig. 2 – Il circuito termico equivalente del flusso di calore semplifica la valutazione dell’aumento di temperatura
La figura 2 presenta un circuito termico semplificato, che permette di analizzare meglio il problema. La potenza nel circuito integrato è rappresentata da un generatore di corrente e le resistenze termiche sono rappresentate da resistori. È così possibile calcolare le tensioni, equivalenti alle temperature. Oltre a una resistenza termica dalla giunzione alla superficie di fissaggio sono presenti una rete di resistenze laterali attraverso la scheda e varie resistenze dalla superficie della scheda all’ambiente. Questo modello presuppone che: 1) la scheda sia montata in verticale, 2) non vi sia raffreddamento né per convezione forzata né per irraggiamento, ma l’intera trasmissione del calore avvenga attraverso il rame della scheda, e 3) la differenza di temperature fra i due lati della scheda sia di piccola entità.
La figura 3 mostra l’effetto dell’aumento della quantità di rame nella scheda ai fini del miglioramento della resistenza termica; questa può essere ridotta a un terzo aumentando lo spessore del rame da 0,036 mm (due lati, 14 grammi) a 0,21 mm (4 strati, 42 grammi). Sono riportate due curve: una per un contenitore di piccole dimensioni, in cui il calore fluisce nella scheda attraverso un diametro di 5 mm, e l’altra per un componente più grande, in cui il calore fluisce nella scheda attraverso un diametro di 10 mm; entrambe si riferiscono a una scheda di 58 cm^2.
Fig. 3 – Le temperature nella piastrina possono essere ridotte notevolmente aumentando ulteriormente lo spessore dei conduttori della scheda a circuito stampato
Il prossimo argomento della rubrica sarà la valutazione della risposta a un carico transitorio.
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Bibliografia
1) “Power Supply Layout Considerations,” R. Kollman, TI Unitrode Power Supply Seminar, SEM1600, Topic 4, 2004-5: http://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=SEM405006
2) “Power Pad Thermally Enhanced Package – SLMA002D,” by Steven Kummerl, Texas Instruments, October 2008: http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract.tsp?abstractName=slma002d