半導体産業における散熱器の適用

ヒートシンクは半導体産業の重要な部品であり,熱性能の管理と電子機器の信頼性を保証する上で重要な役割を果たしています.半導体デバイスのサイズが縮小し続け,電力密度が増加するにつれて,効果的な熱管理は現代の電子設計の基石となっています.この記事では,ヒートシンクの背後にある技術,半導体産業におけるその応用,この分野の将来の傾向を探索します.

散熱器技術とアプリケーション

1. プロセス技術概要

ヒートシンクは,主に伝導と対流を通じて,固体表面から熱を散布するように設計されています.通常,アルミニウム,銅,または両方の組み合わせなどの高熱伝導性材料で構成されています。製造プロセスには,挤出,ダイ製造,加工,そして最近は,複雑な几何学のための添加製造が含まれています.陽極酸化や電陽極酸化や陽陽極酸化などの表面処理は,耐腐食性と熱伝達効率を高めます.

1.1 一般的なポイント

半導体装置の最適な性能を提供するために,製造業者が示した最大接続温度を超えないことは不可欠です.

一般的に,この最高ジャンクション温度は,それを超えることなく,関連する装置を低い出力で動かすことによってのみ維持できます.

最大評価に近づく出力では,半導体装置はいわゆるヒートシンクによって冷却されなければなりません.

これらの散熱器の熱性能は,主にそれらが作られた材料の熱伝導性,表面積のサイズおよび質量に依存します.

さらに,表面の色,取り付け位置,温度,周囲空気の速度,取り付け場所は,すべて,ヒートシンクの最終性能に異なる影響を与えています.

電子冷却システムの試験や熱抵抗の決定のための合意された国際標準方法はありません。

1.2.熱抵抗の決定

熱抵抗は,機械的な考慮を除く,クーラーの選択において最も重要なパラメータです.熱抵抗の決定には,次の方程式が適用されます。

方程式 1: RthK = − ( RthG + RthM ) = − RthGM

最大接続温度が超えない場合は,温度を確認する必要があります.

ケース温度を測定した場合,次の方程式を使用することで,最大接続温度を計算できます。

方程式2: ○i = ○G + P x RthG

決定因子の意味：

「安全要因」として,これを20〜30℃減らすべきです。

散熱器の放射熱によって引き起こされる温度の上昇は,10-30°Cのマージンで増加する必要があります.

ΔΔΔΔΔ最大接点温度と周囲温度の差。

P = デバイスの最大評価電力 [W] Rth = 熱抵抗 [K/W]

RthG = 半導体装置の内部熱抵抗（製造業者によって示されたように）

RthM = マウント表面の熱抵抗TO 3の場合には,以下の大致値が適用されます。

1. 乾燥,insulatarなし 0.05 - 0.20 K/W

2. 熱化合物/断熱体なしで 0.005 - 0.10 K/W

3. 熱化合物の酸化アルミニウムウェーファー 0.20 - 0.60 K/W

4. 熱化合物 0.40 - 0.90 K/W の Mica ウェーファー（厚さ 0.05 mm）

RthK = ダイアグラムから直接取ることができる散熱器の熱抵抗

RthGM = RthGとRthMの和。いくつかのトランジスタの平行接続の場合,RthGM値は次の方程式で決定することができます。

方程式 3: = + + ... +

結果は方程式1に置き換えることができます。

K = ケルビンは,温差の標準的な測定値であり,°Cで測定され,したがって1°C = 1 K。

K/W = 1ワットあたりのケルビン,熱抵抗の単位。

計算例:

1. 60ワットの評価を持つ3つの電源トランジスターには180°Cの最高接続温度および40°Cの環境で0.6 K/Wの内部抵抗があり,酸化アルミウエーファーがあります。

ヒートシンクにはどのような熱抵抗が必要ですか？

与えられる:

P = 60 W R thG = 0.6 K/W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (安全マージン) RthM = 0.4 K/W (平均値)

θu = 40℃

1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0.6 K/W + 0.4 K/W) = 1.0 K/W

1.3 上記と同じ条件ですが,同等に分布された電力評価を持つ3つのデバイスです。

溶液の使用方程式1と方程式3 = + + = W/K RthGM GES。 = K/W = 0.33 K/W

方程式1に置き換えると：RthK = _ 0.33 K/W = 1.67 K/W

これらの値が決定されると,ページA 13 - 17の表を使用して,可能なヒートシンクプロファイルの選択を提供することができます.その後,図面や曲線を検査することで,最終的な選択をすることができます.

3. 50 W の評価電力および 0.5 K/W の内部熱抵抗のトランジスタには 40 °C のケース温度があります。ジャンクション温度の実際の値は何ですか？

与えられる:

P = 50 W R thG = 0.5 K/W θG = 40 °C

find: θiusing 方程式 2

θi = θG+ (P • RthG) θi = 40 °C + (50 W • 0.5 K/W) = 65 °C

強制対流のプロフィールの熱抵抗

RthKf ≈ a •RthK

RthKf = 強制対流による熱抵抗

RthK = 自然対流による熱抵抗

a = 比率要素

電子半導体装置の性能,寿命,信頼性は,装置が暴露する熱負荷によって有意に決定されます.最大動作温度を超えると,機能障害が発生します.許容温度を超えると,半導体が破壊される。さらに悪化するために,半導体産業では,電子デバイスの統合および電力密度が継続的に増加する傾向があります.熱問題の解決のために,最初の質問は,どのような散熱を考慮すべきかです。これのためには,異なる散熱溶液で自由対流 (受動的),強制対流 (ファンの助けでアクティブ,冷却集団),または流体媒体 (流体冷却) によって異なるプロセスが利用できます.

しかし,電子デバイスやシステムは,多くの異なる境界と設置条件を持っています.したがって,最適な熱管理の選択はしばしば困難です.計算のための熱抵抗を使用したり,アプリケーション内で直接プロトタイプをテストし,検証したりすることによって,正しい散熱コンセプトを見つける可能性は確かにありますが,現在,顧客によって指定された機械的調整はこれまで以上に要求され,要求されています.小さな機械的な後加工,例えば,追加的な統合された熱熱抵抗の温度における安全保留を持つ計算で考慮することができますが,広範囲な修正には,熱状況の繰り返し検査が必要です.

熱シミュレーションにおける考慮要因

KINGKAの熱シミュレーションにより,冷却コンセプトの必要な特性を正確に決定できます.質量,エネルギー,衝動などの物理概念に基づいて,ソフトウェアは,自然または強制対流の熱要求を特別に考慮します.同時に,システムは流体を通じて熱を散布します。さらに,熱シミュレーションは,熱放射や熱熱またまたささささらに,熱放射やささささまざまな物理的影響を計算します.さまざまな表面の放射因子も役割を果たします。

KINGKAは熱シミュレーションのテーマについて詳しくアドバイスします。私たちの専門家は,すべての技術的なアドバイスをご利用いただけます。

2.2 半導体産業における役割

ヒートシンクは,ジャンクション温度を安全な限界内に維持し,熱放出を防止し,安定した操作を確保するために重要な役割を果たします.これらは,CPU,GPU,パワー半導体 (IGBT,MOSFET),および統合回路および電子アセンブリ内の他の熱に敏感な部品を保護するために非常に重要です.

2.3 主要な応用分野

・高性能コンピューティング（HPC）：スーパーコンピュータやデータセンターのプロセッサの冷却に不可欠です。

・自動車電子：電動車インバーター,ADASシステム,およびインフォテインメントユニットの信頼性を保証します。

·電気通信：重い負荷の下でベースステーションおよびルーターの性能を維持します。

3. 結論

ヒートシンクは,半導体産業の熱生成の絶えず増加を管理する能力に基本的です.設計と製造技術は進化し続け,新興アプリケーションの要求に応え,よりスマートで持続可能な冷却ソリューションの道を開く.業界がパフォーマンスと統合の境界を押し上げるにつれて,効果的な熱管理の役割は重要性を増やすだけです.