Messung zum Thema Wie warm werden unsere Chips

Es wurde schon viel diskutiert was Kühlung an Lebensdauer bringt oder wie viel die
entfernung der Abschirmung bringt, ich denke es wurde mal zeit für messungen...

Etwas die Grundlagen...

Erklärung Aufbau DIL Gehäuse:
Die Gehäuseform der C64 Chips ist "Dual in-line package".
Der Gehäusegrundstoff ist aus Epoxydharz das mit Füllstoffen (ca.75-80%) angereichert ist.
Es Gibt zwar auch Gehäuse aus echtem Temoplastischen Kunststoff, wurde aber nach meinem Wissen nicht bei Commodore verwendet.

Der Leadframe ist bei den MOS Chips aus Kupfer das mit weiteren Metallen oberflächenveredelt ist.
Vorteil des Kupfer Leadframe ist die Relativ gut Wärmeleitfähigkeit.
Leider gibt es auch nachteile durch die starke wärmeausdehnung des Kupfers (16,8 10-6/K) im vergleich 0,65 bis 0,92 10-6/K der Epoxy Masse.

Häufige Temperturwechsel führen zu Haarissen im Gehäuse und undichtigkeiten an der Leadframe/Epoxy schnittstelle, was die Alterung der Chips stark beschleunigt.

Desweitern kann Epoxy Wasser aufnehmen was den "Popcorn" Effekt begünstigt,
das bedeutet das Platzen des Gehäuses durch wasserdampf.

Durchführung Messung:

Was für eine Temperratur ist für uns Interessant?

Gehäuse Oberfläche?
Anschlußpins?
Temperatur des Silizium Die?

Die Komponente die Temperaturmäßig interessant ist, ist der Silizium Die im Chip.
Leider ist es nicht Einfach eine Messung zu machen ohne Spezialwerkzeug.

Mit einem Spezialfräser wird von der Unterseite des Chips eine kleine öffung gefräst bis der Leadframe unter dem
Silizium Die zugängig ist, bei dieser Meßstelle liegen wir mit unserer Meßperle nur ca. 1 bis 1,5 mm von der
Aktiven Chipfläche. Eine normale Bohrstelle würde zu 99% den Chip zerstören!

Die Meßperle wird mit leichten Druck an den Leadframe gepresst und die Öffnung im Gehäuse mit Epoxyd harz vergossen.
Durch den geringen Kabelquerschnitt der Meßleitung und der minimalen wärmekap. der Meßperle wird der Meßwert nur minimal verfälscht.
Die Verwendete Epoxy Harz hat vergleichbare eigenschaften wie das Original Material.

Die Oberflächentemperatur des SID Gehäuses bzw. des Kühlkörpers wird mit einem Pyrometer gemessen, diese art der Messung ist berührungslos und recht ungenau (abweichungen von +/- 10%)

Die Innentemperatur des C64 Gehäuses wird an drei stellen in der Luft gemessen:
1. Messstelle zwischen den beiden 6526 CIA, ca. 5mm über Chiphöhe
2. Messstelle bei der Drossel nähe Hauptschalter 10mm über Leiterplatte
3. Messstelle zwischen den Ram Bausteinen ca. 5mm über der Chiphöhe

Der Mittelwert wurde als Lufttemperatur Innen angenommen.

Verwendete Hardware;
ASSY 250407 Rev. B
SID 6581 3284

Brotkasten Gehäuse mit Alter Silbenener Pappschirmung ohne Lüftungslöcher
C64 II Gehäuse mit Neuer Silbener Pappschirmung mit Belüftungslöchern (Original zum Gehäuse)

IC Kühlkörper Typ "Reichelt V 5619E"
Wärmeleitpaste Weiß Standard

Alle Messungen erfolgten auf einem Holztisch (Wie bei den meisten Usern im einsatz)

Um die Grenzen der Kühlmöglichkeiten auszutesten und auch die Vorteile von Teuren wärmeleitpasten zu überprüfen wurden noch sondermessungen durchgeführt:

Unter anderem ein Vergleich von normaler billig wärmeleitpaste und teurer Silber Wärmeleitpaste.

Was kann mit einem Optimalen Kühlkörper mit Lüfter oder einem luftstrom ereicht werden.

Die Messergebnisse:

Meßaufbau Luft Core Delta Oberfläche Innenluft
1 Brotkasten mit Schirm 23,0 93,3 70,3 82 42
2 Brotkasten ohne Schirm 22,0 85,3 63,3 76 39
3 Brotkasten ohne Schirm mit losen Kühlkörper21,5 72,5 51,0 63 38
4 Brotkasten ohne schirm mit wärmeleitpast 22,0 71,2 49,2 62 38
5 Brotkasten mit Schirm mit losen Kühlkörper --,- --,- --,- -- --
6 Brotkasten mit Schirm mit Wärmeleitpaste --,- --,- --,- -- --

1 C64 II mit Schirm 22,5 92,5 70,0 83 43
2 C64 II Ohne Schirm 22,2 85,3 63,1 75 38
3 C64 II Ohne Schirm mit losen Kühlkörper 22,8 72,6 49,8 68 39
4 C64 II Ohne Schirm mit Wärmeleitpaste 21,9 69,0 47,1 62 38
5 C64 II mit Schirm mit losen Kühlkörper 21,8 78,0 56,2 68 44
6 C64 II mit Schirm mit Wärmeleitpaste 21,6 76,0 54,4 68 45

Leiterplatte offen 21,3 75,1 53,8 67 --
Leiterplatte offen mit losen Kühlkörper 21,8 63,0 41,2 48 --
Leiterplatte offen mit wärmeleitpaste 22,5 60,3 37,8 48 --
Leiterplatte offen mit Silberwärmeleitpaste 22,7 60,4 37,7 48 --

PC Kühlkörper Super Silent 4 Ultra TC 21,4 46,8 25,4 -- --
120 MM Lüfter ohne Kühlkörper 20,1 47,0 26,9 -- --

Core = Silizium Die Temperatur
Delta = Temperatur Differnz zwischen Umgebungsluft aussen und Silizium Die
Luft = Lufttemperatur ausserhalb C64 Gehäuse
Oberfläche = Oberflächentemperatur SID oder Kühlkörper
Innenluft = Lufttemperatur innerhalb des Gehäuses

Edit:
Die Meßergebnisse sind nochmals besser lesbar im Anhang, irgendwie schluckt was Forum Spaces.

@ Bard´s Tale
"loser Kühlkörper" bedeutet wirklich nur lose auf SID Liegend ohne wärmeleitpaste und ohne anpressdruck, trotzdem mit kühleffekt

Bei den anderen Messungen wurde der Kühlkörper mit zwei Federstahl klammern gehalten.

@ AntaBaka
Danke für den CODE Tip