Решение задачи охлаждения SMD-компонентовс помощью тепловой перемычки ТПИ

В статье описаны новый чип-компонент и технические решения на его базе, обеспечивающие распределение тепла от теплонагруженных SMD активных и пассивных компонентов печатного узла. Снижение тепловыделения активных и пассивных компонентов на печатной плате при высокой плотности монтажа повышает надежность электронной техники.

Повышение доли электронной техники, использующей технологию поверхностного монтажа, требует снижения мощности компонентов и тепловыделения печатных узлов, а там, где это невозможно в полной мере, – новых подходов в обеспечении тепловых режимов. Охлаждение SMD-компонентов затруднено конструктивно из-за их малых пространственных объёмов.

Теплорассеяние печатного узла в целом возможно увеличить общей принудительной конвекцией (обдувом вентилятором). При этом точечные перегревы компонентов снизить затруднительно. Относительно большие компоненты (например, микросхемы процессоров, памяти и т.п.) охлаждают дополнительными низкопрофильными радиаторами или тепловыми трубками [1]. Подобные решения широко применяют в ноутбуках. Но что делать при точечных перегревах компонентов размерами 0,5…1,0 мм? Необходимо распределить и рассеять тепловые потоки в менее нагруженные зоны печатного узла. Такие решения в самом простом случае реализуемы топологическими методами – достаточно увеличить монтажную площадку, чтобы рассеять лишнюю тепловую энергию. Однако при плотном монтаже площадь для рассеяния мощности ограничена, ужесточается требование электрической изоляции, в том числе от теплоотвода.

Электрическая прочность изоляции важна, в частности, в медицинской, промышленности также необходимо выполнение критерия взрывозащищён-ности при работе с кислородом, горючими газами и легковоспламеняющимися жидкостями, т.е. работа без искро- и дугообразования. Для контроля электрической прочности изоляции оборудования проводят соответствующие испытания [2], и используемые электронные компоненты должны обладать заведомо большей стойкостью.

Для решения обеих проблем одновременно (распределения тепла и обеспечения электрической изоляции) и разработан новый пассивный чип-компонент, передающий тепловой поток и имеющий заданную электрическую прочность изоляции - тепловая перемычка типа ТПИ.

Разработка тепловой перемычки обусловлена требованиями новых технологий сборки и основана на достижениях современного материаловедения. Теплопроводность керамического основания тепловой перемычки λ_Т сопоставима с теплопроводностью металлов и составляет 170...200 Вт/(м*К). При этом электрическая прочность материала составляет величину порядка 15 кВ/мм, что и обеспечивает отличную электрическую изоляцию при сохранении передачи теплового потока.


Рис. 1. Принцип функционирования тепловой перемычки

На рисунке 1 схематично показан принцип функционирования тепловой перемычки. Тепловой поток от источника тепла (например, тепловыделяющей микросхемы) через керамическое тело и монтажные контакты тепловой перемычки поступает к приёмнику тепла (например, площадке с металлизированными отверстиями, заполненными припоем, или общей шине). Распределённый таким образом тепловой поток может рассеяться естественной конвекцией и/или перейти в дополнительный теплоотвод.


Рис. 2. Тепловыделяющий компонент без использования тепловой перемычки

На рисунке 2 представлена типовая ситуация с офаниченнымтеплоотводом тепловыделяющего компонента на плате, приводящим к перегреву. Рисунок 3 иллюстрирует ту же ситуацию, но с установленной тепловой перемычкой для распределения тепла от тепловыделяющего компонента. Конечный теплоприемник на рисунке не показан. Тепловой режим компонента в данном случае улучшается.


Рис. 3. Тепловыделяющий компонент с использованием тепловой перемычки


Рис. 4. Использование тепловых перемычек для организации единого теплоотвода с гальванической развязкой

Рисунок 4 иллюстрирует возможность повышения плотности монтажа, когда за счёт высокой электрической прочности (U_пр > 1,5 кВ) и высокого сопротивления изоляции (R_из > 999 МОм) тепловых перемычек возможно использование единого электропроводного теплоотвода. Кроме того, подобным способом возможно поддерживать в едином температурном режиме активные компоненты, которые должны работать в паре, но не могут при этом быть соединёнными электрически (например, комплементарная пара транзисторов и др.).

Тепловые перемычки, ввиду нормированного переходного теплового сопротивления и электрической изоляции, возможно использовать для термо-статирования режимов компонентов, требующих гальванической развязки с соответствующими датчиками, или иных аналогичных приложений.

Основным функциональным параметром тепловой перемычки является тепловое сопротивление, R₁[°С/Вт], в практически требуемых случаях определяемое геометрическими размерами [3]:



где L H, B - длина, высота и ширина тепловой перемычки; λ_T = 170 Вт/(м·К) - теплопроводность керамики на основе нитрида алюминия.

Характеристики тепловых перемычек типа ТПИ приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Характеристики тепловых перемычек типа ТПИ


Таблица 2. Характеристики тепловых перемычек типа ТПИ

Заключение

Тепловая перемычка ТПИ позволяет разработчикам:
• отвести и распределить тепловые потоки от перегретых участков и компонентов печатного узла;
• обеспечить электрическую изоляцию между источником и приёмником тепла;
• обеспечить увеличение плотности монтажа за счёт гальванической развязки различных цепей при использовании единого те-плоотвода;
• обеспечить выравнивание температуры между компонентами, работающими в совместном режиме;
• обеспечить гальваническую развязку датчиков при термостатировании компонентов, а также решать иные задачи.

Литература

1. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры». - М.: Высш. шк, 1984. -247 с. ил., с. 146-150.
2. ГОСТ IEC 60950-1-2011 Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 1. Общие требования
3. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / Пер. с англ. // Справочник. - М.: Атомиздат, 1979- -216 с, ил.