Els paquets IC es basen PCB per a la dissipació de calor. 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. El maneig acurat de la distribució de PCB, l’estructura de la placa i el muntatge del dispositiu poden ajudar a millorar el rendiment de la dissipació de calor per a aplicacions de mitjana i alta potència.

Els fabricants de semiconductors tenen dificultats per controlar els sistemes que utilitzen els seus dispositius. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. Per als dispositius IC personalitzats, el dissenyador del sistema sol treballar amb el fabricant per garantir que el sistema compleixi els molts requisits de dissipació de calor dels dispositius d’alta potència. Aquesta primera col·laboració garanteix que el CI compleixi els estàndards elèctrics i de rendiment, alhora que garanteix un funcionament adequat dins del sistema de refrigeració del client. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. En aquest cas, només podem utilitzar algunes pautes generals per ajudar a aconseguir una millor solució passiva de dissipació de calor per IC i sistema.

Com dissenyar la dissipació de calor per PCB

El tipus de paquet de semiconductors comú és el paquet nu o el paquet PowerPAD ™. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Aquest tipus de coixinet suporta el xip en el procés de processament de xips i també és un bon camí tèrmic per a la dissipació de calor del dispositiu. 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. Els paquets de coixinets nus solen transferir aproximadament el 80% de la calor al PCB a través de la part inferior del paquet. El 20% restant de la calor s’emet a través dels cables del dispositiu i dels diversos costats del paquet. Menys de l’1% de la calor s’escapa per la part superior del paquet. En el cas d’aquests paquets de coixinets nus, és imprescindible un bon disseny de dissipació de calor del PCB per garantir un rendiment determinat del dispositiu.

El primer aspecte del disseny de PCB que millora el rendiment tèrmic és la disposició del dispositiu PCB. Sempre que sigui possible, els components d’alta potència del PCB s’han de separar els uns dels altres. Aquest espai físic entre components d’alta potència maximitza l’àrea del PCB al voltant de cada component d’alta potència, cosa que ajuda a aconseguir una millor transferència de calor. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Sempre que sigui possible, els components d’alta potència s’han de situar lluny de les cantonades del PCB. Una posició PCB més intermèdia maximitza l’àrea de la placa al voltant dels components d’alta potència, ajudant així a dissipar la calor. Es mostren dos dispositius semiconductors idèntics: els components A i B. El component A, situat a la cantonada del PCB, té una temperatura de connexió de xip A un 5% superior a la del component B, que se situa més centralment. La dissipació de calor a la cantonada del component A està limitada per l’àrea més petita del panell al voltant del component utilitzat per a la dissipació de calor.

El segon aspecte és l’estructura del PCB, que té la influència més decisiva en el rendiment tèrmic del disseny de PCB. Com a regla general, com més PCB tingui coure, major serà el rendiment tèrmic dels components del sistema. La situació de dissipació de calor ideal per a dispositius semiconductors és que el xip està muntat sobre un gran bloc de coure refrigerat per líquid. Això no és pràctic per a la majoria d’aplicacions, de manera que vam haver de fer altres canvis al PCB per millorar la dissipació de calor. 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.

Sempre que sigui possible, maximitzeu el nombre i el gruix de les capes de coure de PCB. El pes del coure a terra és generalment gran, cosa que suposa un excel·lent recorregut tèrmic per a tota la dissipació de calor del PCB. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. No obstant això, aquest cablejat sol estar aïllat elèctricament, cosa que limita el seu ús com a potencial dissipador de calor. La connexió a terra del dispositiu s’ha de connectar el més elèctricament possible a tantes capes de connexió a terra com sigui possible per ajudar a maximitzar la conducció de calor. Els forats de dissipació de calor al PCB que hi ha a sota del dispositiu semiconductor ajuden a que la calor entri a les capes incrustades del PCB i es transfereixi a la part posterior de la placa.

Les capes superior i inferior d’un PCB són “ubicacions privilegiades” per millorar el rendiment de refrigeració. L’ús de cables més amplis i l’enrutament de dispositius d’alta potència pot proporcionar un camí tèrmic per a la dissipació de calor. La placa especial de conducció de calor és un mètode excel·lent per dissipar la calor del PCB. La placa conductora tèrmica està situada a la part superior o posterior del PCB i està connectada tèrmicament al dispositiu mitjançant una connexió directa de coure o un forat de pas tèrmic. En el cas d’envasos en línia (només amb cables a banda i banda de l’envàs), la placa de conducció de calor es pot ubicar a la part superior del PCB, amb la forma d’un “os de gos” (el centre és tan estret com l’embalatge, el coure allunyat del paquet té una àrea gran, petita al mig i gran als dos extrems). En el cas d’un paquet de quatre cares (amb cables als quatre costats), la placa de conducció de calor s’ha de situar a la part posterior del PCB o a l’interior del PCB.

Augmentar la mida de la placa de conducció de calor és una excel·lent manera de millorar el rendiment tèrmic dels paquets PowerPAD. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Un full de dades de producte tabular sol enumerar aquestes dimensions. Però és difícil quantificar l’impacte del coure afegit en PCBS personalitzats. 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. Aquestes eines de càlcul ressalten fins a quin punt el disseny de PCB influeix en el rendiment de la dissipació de calor. 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. Per als paquets dobles en línia, podem utilitzar l’estil de coixinet “dog bone” per dissipar la calor.

Finalment, els sistemes amb PCBS més grans també es poden utilitzar per refredar-se. 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. Tenint en compte la conductivitat i el cost tèrmic, s’hauria de maximitzar el nombre de cargols fins al punt de reduir els rendiments. El reforç metàl·lic de PCB té més àrea de refrigeració després de connectar-se a la placa tèrmica. Per a algunes aplicacions on la carcassa del PCB té una carcassa, el material de soldadura TYPE B té un rendiment tèrmic superior al de la carcassa refrigerada per aire. Les solucions de refrigeració, com ara ventiladors i aletes, també s’utilitzen habitualment per refredar el sistema, però sovint requereixen més espai o requereixen modificacions de disseny per optimitzar la refrigeració.

Per dissenyar un sistema amb un alt rendiment tèrmic, no és suficient escollir un bon dispositiu IC i una solució tancada. La programació del rendiment de la refrigeració IC depèn de la placa PCB i de la capacitat del sistema de refrigeració per permetre que els dispositius IC es refredin ràpidament. El mètode de refredament passiu esmentat anteriorment pot millorar considerablement el rendiment de dissipació de calor del sistema.