بیژن بینایی GitHub
بیژن بینایی Rss

طراحی دمایی حول CLG484

نوشته شده توسط بیژن | در دسته الکترونیک, مهندسی برق | نوشته شده در ۲۹-۰۲-۱۳۹۷

۰

Zynq ها در grade های دمایی مختلفی عرضه می شن. Commercial هاش تا ۸۰ درجن و Industrial و Extended تا ۱۰۰ درجه. هر دو البته تا 125 درجه برا junction رو اوکی ان ولی برای طول عمر بیشتر و در نظر گرفتن حالت های dynamic پیشبینی نشده recom خود زایلینکس عدد های ذکر شده هست.

برای مدل سازی ارتباط بین دمای junction و تلفات یه سری مقاومت تعریف می شه که مهمترینشون موارد زیر هست.

  • $\theta_{jc}$: مقاومت حراتی بین بین case و junction رو می گن
  • $\theta_{ja}$: مقاومت حرارتی بین junction و ambient را گویند.

$\theta_{ja}$ اختلاف دمای جانکشن و محیط رو تعیین می کنه. پس $\theta_{jc}$ چیه؟ فرض کنید شما می خواید از هیت سینک استفاده کنید. اون وقت شما دارید یه موجود فلزی رو می چسبونید به case پس انتظار دارید $\theta_{ja}$ کاهش پیدا کنه. درسته؟ خب چطوری اینو در این حالت مدل سازی می کنن. با سه تا مقاومت زیر

و این طوری به صورت سری می تونی $\theta_{ja}$ رو در حالی که heatsink به بدنه متصله بدست بیارید. چند تا نکته اینجا هست.

۱. وقتی که هیتسینکی در کار نیست $\theta_{ja}$ اختلاف دمایی بین junction و دمای حول و هوش چیپ هست. این یه trick کثیف پذیرفته شدست که تولیدکننده ها تو datasheet اشون می زنن. به عبارت دیگه اگه دمای محیطتون ۳۵ درجه هست لزوما به معنای این نیست که دمای اطراف چیپ و داخل بدنه دستگاه هم ۳۵ درجست. یه 15 20 درجه margin برای این قضیه به شدت توصیه می شه.

۲. توی محاسبه $\theta_{ja}$ افکتیو در حالتی که هیت سینک گذاشتین یه trick ریز دیگه وجود داره که اگه انجام ندین در محاسباتتون به نتایج عجیب غریب می رسید. تو datasheet آیسی یه $\theta_{ja}$ زده می شه که این همونطور که گفتم در حالتی هست که heatsink ای در کار نیست. به عبارت دیگه طبق شکل زیر تمام گرمای IC از طریق PCB پخش و تلف می شه. پس در حالتی که هیتسینک روی آیسی هم قرار می گیره $\theta_{ja}$ افکتیو می شه موازی $\theta_{ja}$ و مقاومت حرارتی ایجاد شده از طریق هیتسینک با محیط اطراف

۳. هیت سینکا موجودات خوب و در عین حال آشغالین. علت آشغال بودنشون profile کم و در نتیجه مقاومت زیادشون هست. اما می شه بجای استفاده مستقیم از هیت سینک بدنه درستگاه رو اگه فلزی باشه (مثلا آلمینیوم) به عنوان هیت سینک بسیار گنده با مقاومت حرارتی کم استفاده کرد. در این زمینه EEVBlog یه پست خیلی خوب داره.

EEVblog #744 – SMD Thermal Heatsink Design – µSupply Part 15

■ طراحی کولینگ XC7Z020 جان

تلفات Zynq مدل 7020 در High Performance ترین حالتش با XPE زایلینکس 7W شد. بصورت دقیق تر کلاک PL رو 200MHz و برای PS روی 866MHz رم 1600MHz و تمام ریسورس ها 100% پر. دمای اتاق رو یکم ملو می گیریم. مثلا 40 درجه. فاصله تا Max Junction Temp که ۱۰۰ درجه هست می شه ۶۰. قرار شد هم که Max تلفات ۷ وات بشه پس حداقل $\theta_{ja}$ برا پاس کردن recom می شه

$$\theta_{ja} = \frac{60}{7} = 8.57 ^o C/W$$

حالا تهشم یکم خورده داره که به بزرگی خودتون ببخشید. حالا $\theta_{ja}$ که نمایانگر مقاومت بدون هیت سینک هست رو از رو datasheet (شکل زیر) برا پکیج CLG484 می خونیم. پاسخ حدود 18.4 هست (واحدشم که مشخصه!). حالا اگه هیت سینک اضافه بشه مقاومت حرارتی هیت سینک با 18.4 عادی موازی می شه و طبق محاسبات بالا برای پاس کردن Max Junction Temp حاصل باید کمتر از 8.57 ای باشه. با یه محاسبه ساده در می یاد حداکثر تتای مسیر دوم باید 16 درجه بر وات باشه. $\theta_{jc}$ هم طبق datasheet برابر 3.5درجه پر واته پس حداکثر مقاومت هیت سینک و چسبش نباید بیش از 12.5 درجه بر وات باشه.

جدول برداشته شده از UG865

■ پیچ؟ چسب؟ تف؟

سوال بعدی اینه که چطوری هیت سینک رو بچسبونیم به تراشه. همونطور که در تیتر اشاره شد راه های مختلفی وجود داره که اینجا یه خلاصه ای می گم از مزیت و معایب هر یک. ساده ترین راه تف هست! شاید فکر کنید شوخی می کنم اما دیدم که می گم.

چسب سیلیکن

چسب سیلیکن از نقطه نظر حرارتی تفاوت خاصی با تف نداره. هر دو عایق حرارتی هستن. یکی چسبندگیش خیلی کمه و یکی انقدر زیاده که اگه احیانا بخواید هیتسینک رو جدا کنید چیپ و پدهاش با هم از رو PCB کنده می شن و یه شاهکار از خودتون بجا خواهید گذاشت.

البته در مونتاژ بعید نیست چنین تف مالی رو مشاهده کنید. چسب سیلیکن ارزونه و به فراوان تو بازار وجود داره و به دلیل تشابه اسمی با خمیر سیلیکن به اشتباه برای اتصال هیت سینک استفاده می شه.

نکته: یه لایه چسب هر چند هم که نازک باشه می تونه به مقدار بسیار زیادی مقاومت حرارتی effective رادیاتور رو کاهش بده. چسب سیلیکن به قدری آشغال هست که می تونه تمام ضحمات طراحی بالا رو به باد بده پس مواظب باشید.

چسب حرارتی

آپشن دوم چسب های دوطرفه Acrylic یا Epoxy ای هست که مخصوص این کار طراحی شدن. شرکت معروف 3M تو این زمینه جزء سردم دارای صنعته و چسب هایی با نازکی 250 مایکرون و با مقاومت حرارتی کم تولید می کنه. مثلا برای package ه CLG484 که 19mm x 19mm هست برای سریه 8810 مقاومتش فقط 1.6 درجه بر وات شد. البته توی تبلیغات می گن چسب راه حل خوبی نیست ولی نظر خودم بعد بررسی اعداد و ارقام نتیجه معمولی رو به خوب برای چسب ها بود. بدی دیگه چسب اینه که وقتی هیت سینک به چیپ چسبید دیگه چیپ و هیتسینک تبدیل می شن به یه موجود واحد و جداییشون تقریبا غیر ممکن خواهد بود پس مواظب عواقب تصمیم گیریتون باشید.

چسب دو مزیت داره ۱.جایی رو PCB برای نگه داشتن هیت سینک تلف نمی کنه. دو قیمتش ارزون هست (یک تا دو دلار) و اسمبل کردنش هم آسون و ارزون قیمت تمام خواهد شد.

پیچ

پیچ دو مزیت داره ۱.هیت سینک بعد اتصال به راحتی قابل جدا شدن هست. ۲. بخاطر وجود فنر و خمیر سیلیکن بین چیپ و هیت سینک این شیوه بهترین اتصال حرارتی رو رو ایجاد می کنه. معایب:

۱. قیمت بالا در خرید (چرا؟) و هزینه مونتاژ دستی

۲. گرفتن مساحت فوق العاده بزرگ روی PCB. مثلا من چیپم 19mm x 19mm بود. برای قرار دادن هیت سینک به این روش باید keepout ای در حد 27mm x 27mm در نظر گرفت. با یه محاسبه ساده بیش از ۱۰۰ درصد مساحت چیپ افزایش پیدا می کنه.

۳. نیاز به سوراح. هیچ کسی جز یه طراحی PCB نمی دونه چقدر وجود سوراخ گنده دور چیپ گند می زنه به روتینگ PCB

SuperGrip و MaxiGrip

شرکت ATS دو تا ایده جالب زده. MaxiGrip و SuperGrip گریپ های پلاستیکی هستن که به صورت فشاری می افتن دور چیپ. شکل زیر یه نمونه از MaxiGrip رو نشون می ده.

MaxiGrip مشکل قیمت گران روش پیچ و فنر و مشکل وجود سوراخ در PCB رو همزمان حذف کرده اما همچنان Keepout بسیار بزرگش یکی از مسایل مزاحم در PCB های dense هست. Supergrip با طراجی نازک تر و درنظر گرفتن Clearance راحت تر این مشکل رو هم کرده. البته همزمان باعث قیمت بسیار زیادترش شده که برای بعضی کاربردها می تونه قابل تحمل باشه. مثلا برای CLG484 اندازه Keepout حدود 23mm x 23mm و ۶۰ درصد فضای بیشتر نسبت به چیپ رو اشفال می کنه. خیلی بد نیست ولی خیلی هم خوب نیست اما اگر تکنولوژی Heatpipe رو بزاریم کنار بهترین آپشن بعد چسب ها هست.

پیشنهاد آخرم استفاده از SuperGrip برای فاز تحقیق و توسعه که نیازمند rework هست هستش و در محصول نهایی در تولید تعداد بالا چسب.

 

ویدیوهای مفید

Thermal Performance – It Matters (Part 1 of 4)

Calculating Temperature of a Device on a PCB (Part 2 of 4)

How Devices Dissipate Heat (Part 3 of 4)

PCB & System Impact on Thermal Performance (Part 4 of 4)

 

Jonathan Currie – Power Supplies: Heat Sinking & Thermal Considerations