Junction Temperature
ในปัจจุบันเทคโนโลยีการผลิตชิพ IC ต่างๆนั้นมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องทำให้ผลิตภัณฑ์ชิพที่ออกมามีคุณสมบัติการใช้งานเพิ่มขึ้นแต่ในขณะเดียวกันตัวชิพกลับมาขนาดเล็กลง ซึงทำให้ชิ้นส่วน Semiconductor เหล่านี้เผชิญกับปัญหาด้านความร้อนในระหว่างการทำงาน ดังนั้นการออกแบบจึงต้องคำนึงถึงอุณหภูมิย่านการทำงานที่ยอมรับได้หรือที่เรียกว่า Junction Temperature (TJ) หากอุณหภูมิขณะการทำงานของตัว IC เกินกว่าค่า TJ จะส่งผลเสียหลายๆด้านต่อตัว IC เช่น ยังสามารถทำงานได้แต่อายุการใช้งานสั้นลง, อาจเกิดความเสียหายขณะใช้งาน และใน IC บางชนิดจำพวก MCU อาจมีการปิดการใช้งานเพื่อป้องกันความเสียหายกับตัว IC โดยทั้งนี้ Thermal resistance จะมีความสำคัญในการคำนวนหาอุณหภูมิย่านการทำงาน (TJ) ข้างต้น
หน่วยวัดความร้อนทั่วไปที่ใช้สำหรับการคำนวน Junction Temperature
หน่วยวัดความร้อนที่มักใช้เป็นประจำนั้นได้แก่ Thermal Resistance และ thermal characterization parameter แต่จะมีแบ่งแยกย่อยออกมาดังตัวอย่างข้อมูลค่าหน่วยความร้อนของชิพ LMR14030 ในตารางด้านล่าง
- ตัวแปร Thermal Resistance เช่น RθJA และ RθJC เป็นตัวแปรที่มักถูกใช้มากที่สุดในหน่วยวัดอุณภูมิซึ่งจะพบเห็นได้ในเอกสารข้อมูล Specification ของ Semiconductor แต่ละตัว แต่ในทางกลับกันทั่งสองตัวแปรมักเป็นหน่วยวัดที่ถูกใช้ผิดบ่อยที่สุดเช่นกัน
- ค่าตัวแปร Thermal Charaterization ΨJT และ ΨJB เป็นหน่วยวัดทางความร้อนที่ Solid State Technology Association (JEDEC) ตั้งขึ้นเมื่อปี 1990 โดยค่าตัวแปร 2 ตัวนี้จะถูกใช้ในการคำนวน Junction Temperature สำหรับ Semiconductor ที่เป็น package รุ่นใหม่ ซึ่งภายหลังมานี้ผู้ผลิตเริ่มให้ข้อมูลตัวแปรนี้กันมากขึ้น
Thermal Characterization Parameters and Junction Temperature
ในนิยามของ Thermal Resistance คืออุณหภูมิระหว่าง 2 จุดหารด้วยพลังงานความร้อนระหว่าง 2 จุดนั้น โดยรูปด้านล่างจะแสดงภาพทิศทางการระบายความร้อนของระบบนี้
ในภาพระบบนั้นเปรียบได้เหมือนวงจรที่มีความซับซ้อนและไม่อาจคำนวนพลังงานความร้อนในทิศทางหนึ่งออกมาได้ ดังนั้นทาง JEDEC ได้มีการทดสอบ Thermal Resistance ด้วยวิธีการบังคับให้ทิศทางการไหลของความร้อนแทบทั้งหมดไหลไปที่จุดอ้างอิง นั้นหมายถึงผลลัพธ์ที่ได้คือสามารถนำพลังงานที่ใช้ทั้งหมดมาคำนวนค่า Thermal resistance ได้ แต่ว่าความซับซ้อนของทิศทางการกระจายความร้อนในระบบจริงนั้นไม่สามารถประมาณค่าได้จากพลังงานที่กระจายออกและ Thermal Resistance
JEDEC จึงได้นิยาม thermal characterization parameter (Ψ) ซึ่งแทนด้วยอัตราส่วนระหว่างความต่างของอุณหภูมิที่ Junction กับจุดอ้างอิง และพลังงานความร้อนจากตัวชิพ โดยตัวแปรนี้เป็นเพียงค่าสัมประสิทธิ์ ถึงแม้ว่าหน่วย °C/W จะเหมือนกับ Rθ แต่ Ψ ไม่ถือว้่าเป็นค่า Thermal Resistance Parameter ที่แท้จริง
Thermal Characterization Parameters (Ψ) แบ่งออกเป็น
- ΨJT คืออุณหภูมิที่ต่างกันระหว่าง Jucntion และผิวด้านบนของตัวชิพ
- ΨJB คืออุณหภูมิที่ต่างกันระหว่าง Jucntion และบอร์ด PCB
- โดยที่ ΨJT เป็นตัวที่ถูกนำมาใช้งานมากกว่าเนื่องจาก
สามารถวัดอุณหภูมิได้ง่ายกว่า
- การถ่ายเทความร้อนของตัวของชิพแพ็คเกจ SMD ส่วนมากจะผ่านทางบอร์ด PCB และมีบางส่วนเท่านั้นที่ผ่านขึ้นไปด้านบนตัวชิพ ทำให้ความต่างของอุณหภูมิระหว่าง Junction กับผิวด้านบนน้อยกว่า Junction กับ PCB ย่อมหมายความว่า ΨJT น้อยกว่า ΨJB
Parameters ที่ใช้ในการคำนวน
ค่า TJ สามารถหาได้จากสูตรการคำนวนด่านล่าง
TJ = TA + RθJA × PD
โดยค่า Parameters ต่างๆมีความหมายดังนี้
- TJ => Junction Temperature ค่าอุณหภูมิย่านการทำงานที่ยอมรับได้
- TA => ambient temperature ค่าอุณหภูมิโดยรอบของตัว Semiconductor โดยมากจะหมายถึงอุณภูมิห้อง
- RθJA => junction to ambient Thermal Resistance หาได้จากการคำนวน Thermal Resistance ระหว่างตัวชิพไปถึงจุดอ้างอิง โดยส่วนมากทางผู้ผลิตจะระบุมาให้แล้วใน Datasheet
โดยทั่วไปแล้วเราจะใช้ค่า RθJA เป็นตัวหลักในการคำนวน TJ - PD => dissipated power ค่าพลังงาน loss ของตัว IC คำนวนได้จากการนำพลังงานขาเข้าลบด้วยพลังงานขาออก => Power input – power output
ซึ่งการหาค่า TJ นั้น ท้ายสุดจะต้องนำไปเทียบค่า TJ Max เพื่อดูว่าอุณภูมิย่านการทำงานเกินกว่าขอบเขตที่รับได้หรือไม่
ตัวอย่างการคำนวน
ในตัวอย่างนี้จะใช้ชิพ Switching Regulator IC ซึ่งทำงานที่ 3.3V และจ่ายไฟได้ 3A โดย IC ตัวนี้ต้องจ่ายกระแสให้ component ตัวอื่นด้วยกระแส 578.60715 mA
IC ตัวนี้มีค่า Efficiency อยู่ที่ 88%, TA = 50°C, RθJA = 92.6 (°C/W) และค่า TJ Max อยู่ระหว่าง –40°C ถึง 125°C สามารถหาอุณหภูมิย่านการทำงานได้ดังนี้
- Power output ของ IC ตัวนี้หาได้จากการนำกระแสที่จ่ายออกไปคูณด้วยแรงดันของตัว IC จะได้
Pout = IV = 3.3 x 578.60715 /1000 = 1.909403595 W - Power input ของ IC ตัวนี้หาได้จากสูตร
Pin = Pout / Power efficiency x 100% = 1.909403595 / 88 x 100% = 2.1697768125 W - เมื่อได้ค่าพลังงานขาเข้าและขาออกมาแล้ว สามารถคำนวน PD (dissipated power) ได้จาก
Pin – Pout = 2.1697768125 – 1.909403595 = 0.2603732175 W - เมื่อได้ Parameter ครบแล้ว สามารถหาค่า TJ ได้จากสูตรคำนวน
TJ = TA + RθJA × PD = 50 + (92.6 x 0.2603732175) = 74.1105599405 °C - นำค่า TJ ที่คำนวนได้เทียบกับค่า TJ Max พบว่าอยู่ในช่วง –40°C ถึง 125°C ดังนั้น ในอุณหภูมิของสภาวะแวดล้อมนี้ Switching Regulator IC สามารถทำงานได้ปกติ
สรุปภาพรวม
ตัวแปร Thermal Resistance สามารถนำมาใช้คำนวนค่าความต่างของอุณหภูมิได้หากเส้นทางการนำความร้อนและพลังงานเป็นที่ทราบชัดเจนระหว่างตำแหน่งทั้งสอง แต่ในความเป็นจริงทิศทางการกระจายความร้อนนั้นมีหลากหลายทิศทางรวมถึงการกระจายความร้อนนั้นมีกลายช่องทางด้วยเช่นกัน
และนอกจากสูตรการคำนวนที่แสดงในตัวอย่าง ยังมีสูตรการคำนวน Junction Temperature ในตารางด้านล่างที่ใช้ตัวแปรอุณภูมิแตกต่างกันไป
