L'application des dissipateurs de chaleur dans l'industrie des semi-conducteurs

Les dissipateurs de chaleur sont des composants essentiels dans l'industrie des semi-conducteurs, jouant un rôle essentiel dans la gestion des performances thermiques et l'assurance de la fiabilité des dispositifs électroniques. Alors que les dispositifs semi-conducteurs continuent de se rétrécir en taille tout en augmentant la densité de puissance, une gestion thermique efficace est devenue une pierre angulaire de la conception électronique moderne. Cet article explore les technologies derrière les dissipateurs de chaleur, leurs applications dans l'industrie des semi-conducteurs et les tendances futures dans ce domaine.

Technologie et applications de dissipateur de chaleur

1. Aperçu de la technologie de procédé

Les dissipateurs de chaleur sont conçus pour dissiper la chaleur d'une surface solide, principalement par conduction et convection. Ils sont généralement construits à partir de matériaux à haute conductivité thermique tels que l'aluminium, le cuivre ou une combinaison des deux. Les processus de fabrication comprennent l'extrusion, la coulée sous pression, l'usinage et, plus récemment, la fabrication additive pour des géométries complexes. Les traitements de surface tels que l'anodization ou le placage améliorent la résistance à la corrosion et l'efficacité du transfert de chaleur.

1.1 Points généraux

Pour assurer une performance optimale des dispositifs semi-conducteurs, il est essentiel de ne pas dépasser la température maximale de jonction indiquée par le fabricant.

Généralement, cette température maximale de jonction ne peut être maintenue sans la dépasser que par le fonctionnement du dispositif concerné à des sorties de puissance inférieures.

A des sorties approchant des valeurs maximales, les dispositifs semi-conducteurs doivent être refroidis par des dissipateurs de chaleur.

La performance thermique de ces dissipateurs dépend principalement de la conductivité thermique du matériau à partir duquel ils sont fabriqués, de la taille de la surface et de la masse.

En outre, la couleur de la surface, la position de montage, la température, la vitesse de l'air ambiant et le lieu de montage ont toutes une influence variable sur les performances finales du dissipateur de chaleur d'une application à l'autre.

Il n'existe pas de méthodes normalisées internationales convenues pour l'essai des systèmes électroniques de refroidissement ou pour la détermination de la résistance thermique.

1.2. La détermination de la résistance thermique

La résistance thermique est le paramètre le plus important dans la sélection du refroidisseur, en dehors des considérations mécaniques. Pour déterminer la résistance thermique, l'équation suivante s'applique:

Équation 1 : RthK = − ( RthG + RthM ) = − RthGM

Dans le cas d'une application où la température maximale de jonction n'est pas dépassée, la température doit être vérifiée.

Lorsque la température du boîtier a été mesurée, l'utilisation de l'équation suivante permettra de calculer la température maximale de jonction:

Équation 2 : θi = θG + P x RthG

La signification des déterminants :

θi = température maximale de jonction en °C du dispositif indiquée par le fabricant. En tant que «facteur de sécurité», cela devrait être réduit de 20 à 30 °C.

θu = température ambiante en °C.

L'augmentation de la température provoquée par la chaleur radiante du dissipateur doit être augmentée d'une marge de 10 à 30°C.

Δθ = différence entre la température maximale de jonction et la température ambiante.

θG = température mesurée du boîtier du dispositif (équation 2).

P = puissance nominale maximale du dispositif en [W] Rth = résistance thermique en [K/W]

RthG = résistance thermique interne du dispositif semi-conducteur (comme indiqué par le fabricant)

RthM = résistance thermique de la surface de montage. Pour les cas TO 3, les valeurs approximatives suivantes s'appliquent:

1. sec, sans insulatar 0,05 - 0,20 K/W

2. avec composé thermique/sans isolant 0,005 - 0,10 K/W

3. Plaquette d'oxyde d'aluminium avec composé thermique 0,20 - 0,60 K/W

4. Plaquette de Mica (épaisseur 0,05 mm) avec composé thermique 0,40 - 0,90 K/W

RthK = résistance thermique du dissipateur, qui peut être prise directement des schémas

RthGM = somme de RthG et RthM. Pour les connexions parallèles de plusieurs transistors, la valeur RthGM peut être déterminée par l'équation suivante:

Équation 3 : = + + . .. +

Le résultat peut être remplacé par l'équation 1.

K = Kelvin, qui est la mesure standard des différences de température, mesurée en °C, donc 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin par watt, unité de résistance thermique.

Exemples de calcul :

1. Un transistor de puissance TO 3 de puissance nominale de 60 watts a une température de jonction maximale de 180 °C et une résistance interne de 0,6 K/W à une température ambiante de 40 °C avec des plaques d ' oxyde d ' aluminium.

Quelle résistance thermique est nécessaire pour le dissipateur de chaleur?

donnée :

P = 60 W R thG = 0,6 K/W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (pour la marge de sécurité) RthM = 0,4 K/W (valeur moyenne)

θu = 40 °C

trouver: RthK en utilisant l'équation 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Les mêmes conditions que ci-dessus, sauf pour trois dispositifs ayant une puissance nominale répartie de manière égale.

Utilisation de la solution équation 1 et équation 3 = + + = W/K RthGM gés. = K/W = 0,33 K/W

substitut dans l'équation 1 donne: RthK = _ 0,33 K/W = 1,67 K/W

Avec ces valeurs déterminées, on peut utiliser le tableau de la page A 13 - 17 pour donner un choix des profils éventuels de dissipateur. Ensuite, en examinant les dessins et les courbes, le choix final peut être fait.

3. Un transistor ayant une puissance nominale de 50 W et une résistance thermique interne de 0,5 K/W a une température de boîtier de 40 °C. Quelle est la valeur réelle de la température de jonction?

donnée :

P = 50 W R thG = 0,5 K/W θG = 40 °C

find: équation θiusing 2

θi = θG+ (P • RthG) θi = 40 °C + (50 W • 0,5 K/W) = 65 °C

Résistances thermiques de tout profil à convection forcée

RthKf ≈ un • RthK

RthKf = résistance thermique avec convection forcée

RthK = résistance thermique avec convection naturelle

a = facteur de proportion

Les performances, la durée de vie et la fiabilité des dispositifs électroniques semi-conducteurs sont déterminées de manière significative par la charge thermique à laquelle les dispositifs sont exposés. Un dépassement de la température maximale de fonctionnement entraîne des dysfonctionnements. Un dépassement de la température de jonction autorisée conduit à une destruction du semi-conducteur. Pour empirer la situation, il y a une tendance croissante dans l'industrie des semi-conducteurs à l'augmentation continue des densités d'intégration et de puissance des dispositifs électroniques. Pour la solution des problèmes thermiques, la première question est quel type de dissipation de chaleur doit être considéré. Pour cela, il existe différents procédés disponibles: au moyen de convection libre (passive) avec différentes solutions de dissipateur de chaleur, au moyen de convection forcée (active à l'aide de ventilateurs, agrégats de refroidissement) ou au moyen de médias fluides (refroidissement fluide).

Cependant, les dispositifs et systèmes électroniques présentent de nombreuses conditions de limite et d'installation différentes. Le choix de la gestion thermique optimale est donc souvent difficile. Il y a certainement des possibilités de trouver le bon concept de dissipation de chaleur en utilisant la résistance thermique pour les calculs ou en testant et en vérifiant des prototypes directement dans l'application, mais aujourd'hui les ajustements mécaniques spécifiés par le client sont demandés et demandés plus que jamais. Les petits post-usinages mécaniques, tels que les filets intégrés supplémentaires ou le forage, peuvent être pris en compte dans le calcul avec des réserves de sécurité dans la température de la résistance thermique, mais des modifications importantes exigent une inspection répétée des circonstances thermiques.

Facteurs pris en compte dans la simulation thermique

Avec la simulation thermique KINGKA, les caractéristiques nécessaires du concept de refroidissement peuvent être déterminées avec précision. Basé sur des concepts physiques tels que la masse, l'énergie et l'impulsion, le logiciel prend spécifiquement en compte les exigences thermiques de la convection naturelle ou forcée. Dans le même temps, le système dissipe la chaleur via le fluide. En outre, la simulation thermique calcule les effets physiques tels que le rayonnement thermique et la turbulence. Les facteurs de rayonnement de différentes surfaces jouent également un rôle.

KINGKA sera heureux de vous conseiller en détail sur le thème de la simulation thermique. Nos experts sont à votre disposition pour tout conseil technique.

2.2 Rôle dans l'industrie des semi-conducteurs

Les dissipateurs de chaleur jouent un rôle essentiel pour maintenir les températures de jonction dans des limites sûres, empêcher la fuite thermique et assurer un fonctionnement stable. Ils sont essentiels pour protéger les CPU, les GPU, les semi-conducteurs de puissance (IGBT, MOSFET) et d'autres composants sensibles à la chaleur dans les circuits intégrés et les assemblages électroniques.

2.3 Principaux domaines d'application

Informatique haute performance (HPC) : essentiel pour refroidir les processeurs dans les superordinateurs et les centres de données.

· Électronique automobile: Assure la fiabilité des onduleurs de véhicules électriques, des systèmes ADAS et des unités d'infodivertissement.

· Télécommunications: maintient les performances des stations de base et des routeurs sous une charge lourde.

3. Conclusion

Les dissipateurs de chaleur sont essentiels à la capacité de l'industrie des semi-conducteurs à gérer l'augmentation incessante de la production de chaleur. Leurs technologies de conception et de fabrication continuent d’évoluer, répondant aux exigences des applications émergentes tout en ouvrant la voie à des solutions de refroidissement plus intelligentes et durables. Au fur et à mesure que l'industrie repousse les limites de la performance et de l'intégration, le rôle d'une gestion thermique efficace ne fera que croître d'importance.