IC paketi se oslanjaju PCB za odvođenje toplote. In general, PCB is the main cooling method for high power semiconductor devices. A good PCB heat dissipation design has a great impact, it can make the system run well, but also can bury the hidden danger of thermal accidents. Pažljivo rukovanje rasporedom PCB-a, strukturom ploče i nosačem uređaja može pomoći u poboljšanju performansi rasipanja topline za aplikacije srednje i velike snage.

Proizvođači poluvodiča imaju poteškoća u kontroli sistema koji koriste njihove uređaje. Međutim, sistem s instaliranim IC -om ključan je za ukupne performanse uređaja. Za prilagođene IC uređaje, dizajner sistema obično blisko sarađuje sa proizvođačem kako bi se osiguralo da sistem zadovoljava mnoge zahtjeve za odvođenje topline za uređaje velike snage. Ova rana saradnja osigurava da IC zadovoljava električne i standarde performansi, istovremeno osiguravajući pravilan rad unutar korisnikovog rashladnog sistema. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. U ovom slučaju možemo koristiti samo neke opće smjernice kako bismo pomogli u postizanju boljeg rješenja za pasivno odvođenje topline za IC i sustav.

Kako dizajnirati odvođenje topline za PCB

Uobičajeni tip poluvodičkog paketa je goli pad ili PowerPADTM paket. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Ova vrsta podloge za čipove podržava čip u procesu obrade čipova, a također je i dobar toplotni put za rasipanje topline uređaja. When the packaged bare pad is welded to the PCB, heat is quickly exited from the package and into the PCB. The heat is then dissipated through the PCB layers into the surrounding air. Paketi s golim podlogama obično prenose oko 80% topline u PCB kroz dno pakiranja. Preostalih 20% topline emitira se kroz žice uređaja i različite strane pakiranja. Manje od 1% topline izlazi kroz vrh pakovanja. U slučaju ovih golih podloga, dobar dizajn rasipanja topline na PCB-u je bitan kako bi se osigurale određene performanse uređaja.

Prvi aspekt dizajna PCB -a koji poboljšava toplinske performanse je izgled PCB uređaja. Kad god je to moguće, komponente velike snage na PCB-u trebaju biti odvojene jedna od druge. Ovaj fizički razmak između komponenti velike snage maksimizira područje PCB-a oko svake komponente velike snage, što pomaže u postizanju boljeg prijenosa topline. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Kad god je to moguće, komponente velike snage trebaju biti smještene dalje od uglova PCB-a. Srednji položaj PCB-a maksimizira površinu ploče oko komponenti velike snage, čime pomaže rasipanju topline. Prikazana su dva identična poluvodička uređaja: komponente A i B. Komponenta A, smještena na uglu PCB -a, ima temperaturu spoja čipa A 5% veću od komponente B, koja je pozicionirana centralnije. Odvođenje topline na uglu komponente A ograničeno je manjom površinom panela oko komponente koja se koristi za rasipanje topline.

Drugi aspekt je struktura PCB -a, koja ima najodlučniji utjecaj na toplinske performanse dizajna PCB -a. Po pravilu, što više bakra ima PCB, veće su toplotne performanse komponenti sistema. Idealna situacija rasipanja topline za poluvodičke uređaje je ta da je čip montiran na veliki blok bakra hlađenog tekućinom. To nije praktično za većinu aplikacija, pa smo morali izvršiti druge promjene na PCB -u kako bismo poboljšali odvođenje topline. For most applications today, the total volume of the system is shrinking, adversely affecting heat dissipation performance. Larger PCBS have more surface area that can be used for heat transfer, but also have more flexibility to leave enough space between high-power components.

Kad god je moguće, povećajte broj i debljinu slojeva PCB bakra. Težina bakra za uzemljenje je općenito velika, što je odličan toplinski put za cijelo odvođenje topline na PCB -u. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Međutim, ovo ožičenje obično je električno izolirano, ograničavajući njegovu upotrebu kao potencijalni hladnjak. Uzemljenje uređaja treba biti ožičeno što je više moguće na što više slojeva uzemljenja kako bi se povećala toplinska provodljivost. Rupe za rasipanje topline na PCB -u ispod poluvodičkog uređaja pomažu toplini da uđe u ugrađene slojeve PCB -a i prenese se na stražnju stranu ploče.

Gornji i donji sloj PCB -a su „glavna mjesta“ za poboljšane performanse hlađenja. Korištenje širih žica i usmjeravanje dalje od uređaja velike snage može osigurati toplinski put za rasipanje topline. Posebna ploča za provođenje topline odlična je metoda za rasipanje topline PCB -om. Toplinski provodljiva ploča nalazi se na vrhu ili stražnjoj strani PCB-a i toplinski je povezana s uređajem bilo direktnom bakrenom vezom, bilo toplinskom rupom. U slučaju inline pakiranja (samo s vodovima s obje strane pakiranja), ploča za provođenje topline može se nalaziti na vrhu PCB -a, u obliku „pseće kosti“ (sredina je uska kao pakiranje, bakar udaljen od pakovanja ima veliku površinu, malu u sredini i veliku na oba kraja). U slučaju četverostranog pakovanja (sa elektrodama na sve četiri strane), ploča za provođenje topline mora biti smještena na stražnjoj strani PCB-a ili unutar PCB-a.

Povećanje veličine ploče za provođenje topline odličan je način za poboljšanje toplinskih performansi PowerPAD paketa. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Tabelarni list proizvoda obično navodi ove dimenzije. Međutim, teško je kvantificirati utjecaj dodanog bakra na prilagođeni PCBS. With online calculators, users can select a device and change the size of the copper pad to estimate its effect on the thermal performance of a non-JEDEC PCB. Ovi proračunski alati ističu u kojoj mjeri dizajn PCB -a utječe na performanse rasipanja topline. For four-side packages, where the area of the top pad is just less than the bare pad area of the device, embedding or back layer is the first method to achieve better cooling. Za dvostruke linijske pakete možemo koristiti stil jastučića “pseća kost” za odvođenje topline.

Konačno, sistemi sa većim PCBS -om mogu se koristiti i za hlađenje. The screws used to mount the PCB can also provide effective thermal access to the base of the system when connected to the thermal plate and ground layer. S obzirom na toplinsku vodljivost i cijenu, broj vijaka treba povećati do točke smanjenja povrata. Metalni ukrućivač od PCB -a ima više prostora za hlađenje nakon što je spojen na termičku ploču. Za neke aplikacije gdje kućište PCB -a ima omotač, materijal za lemljenje TIP B ima veće toplinske performanse od zračno hlađenog omotača. Rješenja za hlađenje, poput ventilatora i peraja, također se obično koriste za hlađenje sistema, ali često zahtijevaju više prostora ili zahtijevaju izmjene dizajna za optimizaciju hlađenja.

Za projektiranje sistema s visokim toplinskim performansama nije dovoljno odabrati dobar IC uređaj i zatvoreno rješenje. Zakazivanje performansi IC hlađenja ovisi o PCB -u i kapacitetu rashladnog sistema koji omogućava IC uređajima da se brzo ohlade. Gore navedena metoda pasivnog hlađenja može uvelike poboljšati performanse rasipanja topline u sistemu.