Zaloguj się
Wszystkie
6 marca 2024
83
Zanim przejdziemy do opisu konkretnych zagadnień fizycznych, technologicznych oraz projektowych, warto na początek nakreślić praktyczne znaczenie chłodzenia we współczesnej elektronice. Dokonajmy zatem ekspresowego przeglądu negatywnych efektów nadmiernego wzrostu temperatury elementów i urządzeń elektronicznych.
- Wpływ temperatury na niezawodność połączeń lutowanych – liczne badania materiałowe udowodniły wpływ narażeń termomechanicznych (tj. naprężeń mechanicznych „wspieranych” przez zmieniającą się w szerokim zakresie temperaturę) na powstawanie uszkodzeń połączeń lutowanych. O ile bowiem temperatura otoczenia sama w sobie jest kluczowa dla niezawodności urządzeń elektronicznych, to silne, lokalne przegrzewanie układów scalonych czy też dyskretnych podzespołów półprzewodnikowych może dodatkowo zwiększać wahania temperatury, prowadząc do szybszego powstawania pęknięć w objętości lutowia.
- Termiczne przyspieszanie starzenia półprzewodników – za awarie komponentów elektronicznych powstałe w wyniku ich nadmiernego nagrzewania się podczas pracy odpowiada wiele mechanizmów. Sporo zjawisk, zachodzących w samym półprzewodniku bądź w metalowych połączeniach struktur krzemowych (tzw. bonding), jest niejako „katalizowanych” przez temperaturę, a największy udział w starzeniu komponentów ma elektromigracja. Proces ten polega na przemieszczaniu atomów materiału, które są niejako „porywane” przez ruch elektronów, co prowadzi do lokalnych dysproporcji objętościowych – gdy w jednym miejscu przewodnika ubywa, w innym powstaje jego nadmiar, wynikający z akumulacji przemieszczonych atomów. W ten sposób w strukturze lub połączeniach powstają zwężenia i poszerzenia, a w skrajnych przypadkach – przerwy bądź zwarcia. Co gorsza, proces ten znacząco przyspiesza zarówno wraz z lokalnym wzrostem gęstości prądu (czemu sprzyja postępująca miniaturyzacja, zwłaszcza w zakresie komponentów dużej mocy), jak i ze wzrostem temperatury pracy. Podwyższona temperatura przyspiesza także wystąpienie uszkodzenia w wyniku tzw. przebicia starzeniowego dielektryka (TDDB, ang. Time-Dependent Dielectric Breakdown). Jakby tego było mało, przegrzewanie struktur komponentów półprzewodnikowych powoduje również zmiany w ich parametrach elektrycznych – przykładem może być efekt starzeniowy, określany mianem NBTI (ang. Negative Bias Temperature Instability) i polegający na stopniowym podwyższaniu napięcia progowego bramek tranzystorów MOSFET-P (a ściślej rzecz ujmując – przesuwaniu całej charakterystyki w stronę bardziej ujemnych potencjałów). NBTI prowadzi do zmniejszania transkonduktancji, a w efekcie do obniżenia prądu drenu tranzystora, pracującego w tych samych warunkach układowych (tj. przy określonych napięciach VGS oraz VD). Co gorsza, powyższa lista wciąż nie wyczerpuje potencjalnych konsekwencji pracy półprzewodników w podwyższonych temperaturach.
- Krytyczne uszkodzenia termiczne – przegrzanie elementów elektronicznych podczas pracy w temperaturach przekraczających dopuszczalne przez producenta warunki może w prosty sposób doprowadzić do „efektownych” oraz – niestety – fatalnych w skutkach uszkodzeń i to zarówno samych podzespołów, jak i płytek drukowanych, na których się one znajdują. Chyba każdemu elektronikowi zdarzyło się w swojej karierze trafić na układ scalony, tranzystor lub inny element półprzewodnikowy, w którego obudowie widoczny był głęboki otwór, świadczący o „wybuchu” korpusu pod wpływem nadmiernego wzrostu ciśnienia. W przypadku płytek drukowanych awaria może przebiegać na drodze delaminacji, zarówno warstw zewnętrznych (oderwanie padu lub padu ze ścieżką, uszkodzenie soldermaski, etc.), jak i w głębszych strukturach PCB. I choć większość tego typu problemów wynika zwykle z poważnych awarii funkcjonalnych (np. zwarcia lub przeciążenia w obwodach dużej mocy) bądź nieprawidłowości w procesie lutowania rozpływowego, to niedostatecznie chłodzony komponent (a w szczególności ten całkowicie pozbawiony niezbędnego radiatora) może w skrajnych przypadkach doprowadzić do podobnych uszkodzeń, choć zwykle na nieco mniejszą skalę.
- Wpływ temperatury na parametry komponentów – opisane powyżej zmiany starzeniowe, zachodzące w półprzewodnikach pod wpływem nadmiernej temperatury pracy, są niestety nieodwracalne i stopniowo degradują struktury komponentów. W codziennej praktyce znacznie częściej bierzemy jednak pod uwagę efekty przejściowe, obecne tylko w podwyższonych warunkach termicznych. Najprostszy przykład stanowią rezystory, dla których producenci zawsze określają temperaturowy współczynnik rezystancji (TCR), będący miarą dryfu oporności w funkcji temperatury. Temperatura wpływa także na komponenty indukcyjne, zwłaszcza na poziom strat w rdzeniu oraz indukcyjność.
W świecie kondensatorów zróżnicowanie efektów termicznych jest jeszcze większe. Co ciekawe, w przypadku kondensatorów ceramicznych (oczywiście z wyjątkiem tych z dielektrykiem C0G, tj. o niemal zerowej wrażliwości na zmiany temperatury), charakterystyki nie są nawet monotoniczne w pełnym zakresie dopuszczalnych warunków termicznych. Zależność pojemności od temperatury staje się widoczna także wśród kondensatorów elektrolitycznych – znacznie stabilniejsze termicznie od klasycznych kondensatorów z elektrolitem ciekłym są elementy wykonane na bazie elektrolitu stałego. Na marginesie warto też dodać, że efekty starzenia termicznego tych pierwszych należą do najważniejszych czynników wpływających na ich niezawodność, a wynika to wprost z odparowywania, czy nawet wycieków elektrolitu w warunkach podwyższonej temperatury otoczenia.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
