Современная электроника №6/2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 Решение задачи охлаждения SMD-компонентов с помощью тепловой перемычки ТПИ Рис. 1. Принцип функционирования тепловой перемычки Рис. 2. Тепловыделяющий компонент без использования тепловой перемычки 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. Илья Малышев (min@erkon-nn.ru ) , к. т. н., Юрий Еремеев (eremeev@erkon-nn.ru ) Повышение доли электронной техни- ки, использующей технологиюповерх- ностного монтажа, требует снижения мощности компонентов и тепловыделе- ния печатных узлов, а там, где это невоз- можно в полной мере, – новых подхо- дов в обеспечении тепловых режимов. Охлаждение SMD-компонентов затруд- нено конструктивно из-за их малых пространственных объёмов. Теплорассеяниепечатногоузла вцелом возможно увеличить общей принуди- тельной конвекцией (обдувом вентиля- тором). При этом точечные перегревы компонентов снизить затруднительно. Относительно большие компоненты (например, микросхемы процессоров, памяти и т.п.) охлаждают дополни- тельными низкопрофильными ради- аторами или тепловыми трубками [1]. Подобные решения широко применя- ют вноутбуках. Ночтоделатьприточеч- ныхперегревахкомпонентовразмерами 0,5…1,0мм?Необходимораспределитьи рассеять тепловыепотокивменеенагру- женные зоныпечатногоузла. Такиереше- ния в самомпростомслучаереализуемы топологическимиметодами–достаточно увеличитьмонтажнуюплощадку, чтобы рассеять лишнюю тепловую энергию. Однако при плотном монтаже площадь для рассеяния мощности ограничена, ужесточается требование электрической изоляции, в томчисле от теплоотвода. Электрическая прочность изоляции важна, в частности, в медицинской, автомобильной и другой технике, свя- занной с безопасностью персонала из-за возможных утечек, которые могут иметь место при повышенной плотно- сти монтажа. В медицинской, автомо- бильной технике и различных отраслях промышленности также необходимо выполнение критерия взрывозащищён- ности при работе с кислородом, горю- чими газами и легковоспламеняющими- ся жидкостями, т.е. работа без искро- и дугообразования. Для контроля электри- ческой прочности изоляции оборудова- ния проводят соответствующие испы- тания [2], и используемые электронные компоненты должны обладать заведомо большей стойкостью. Для решения обеих проблем одно- временно (распределения тепла и обе- спечения электрической изоляции) и разработан новый пассивный чип- компонент, передающий тепловой поток и имеющий заданную электри- ческую прочность изоляции – тепло- вая перемычка типа ТПИ. Разработка тепловой перемычки обу- словлена требованиями новых техно- логий сборки и основана на достиже- ниях современного материаловедения. Теплопроводность керамического осно- вания тепловой перемычки λ Т сопоста- вима с теплопроводностьюметаллов и составляет 170…200 Вт/(м·К). При этом электрическая прочность материала составляет величину порядка 15 кВ/мм, что и обеспечивает отличную элек- трическуюизоляциюпри сохранении передачи теплового потока. На рисунке 1 схематично показан принцип функционирования тепловой перемычки. Тепловойпоток от источни- ка тепла (например, тепловыделяющей микросхемы) через керамическое телои монтажныеконтактытепловойперемыч- кипоступает к приёмнику тепла (напри- мер, площадке с металлизированными отверстиями, заполненными припоем, илиобщейшине). Распределённыйтаким образомтепловойпотокможетрассеяться естественнойконвекциейи/илиперейти в дополнительныйтеплоотвод. На рисунке 2 представлена типовая ситуациясограниченнымтеплоотводом тепловыделяющего компонента на пла- те, приводящим к перегреву. Рисунок 3 иллюстрирует туже ситуацию, но с уста- новленнойтепловойперемычкойдлярас- пределениятеплаот тепловыделяющего компонента. Конечный теплоприемник на рисунке не показан. Тепловой режим компонентавданномслучае улучшается. Рисунок 4 иллюстрирует возможность повышения плотности монтажа, когда за счёт высокой электрической прочно- сти (U пр ≥ 1,5 кВ) и высокого сопротивле- ния изоляции (R из ≥ 999МОм) тепловых перемычек возможно использование единого электропроводного теплоотво- да. Кроме того, подобным способом воз- можно поддерживать в едином темпера- турном режиме активные компоненты, которые должны работать в паре, но не могут при этом быть соединёнными электрически (например, комплемен- тарная пара транзисторов и др.). Тепловые перемычки, ввиду нор- мированного переходного теплового сопротивления и электрической изоля-