Els paquets IC es basen PCB per a la dissipació de calor. En general, el PCB és el principal mètode de refrigeració per a dispositius semiconductors d’alta potència. Un bon disseny de dissipació de calor de PCB té un gran impacte, pot fer funcionar bé el sistema, però també pot enterrar el perill ocult d’accidents tèrmics. 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. No obstant això, un sistema amb un CI instal·lat és fonamental per al rendiment general del dispositiu. 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. Moltes grans empreses de semiconductors venen dispositius com a components estàndard i no hi ha contacte entre el fabricant i l’aplicació final. En aquest cas, només podem utilitzar algunes directrius generals per ajudar a aconseguir una bona solució passiva de dissipació de calor per IC i sistema.

El tipus de paquet de semiconductors comú és el paquet nu o el paquet PowerPAD ™. En aquests paquets, el xip està muntat en una placa metàl·lica anomenada coixinet. 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. Quan el coixinet nu empaquetat es solda al PCB, la calor surt ràpidament del paquet i cap al PCB. A continuació, la calor es dissipa a través de les capes de PCB a l’aire circumdant. 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. S’ha de tenir cura de separar els components sensibles a la temperatura dels components d’alta potència del 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. La figura 2 mostra 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. Per a la majoria de les aplicacions actuals, el volum total del sistema es redueix, cosa que afecta negativament el rendiment de la dissipació de calor. Els PCBS més grans tenen més superfície que es pot utilitzar per a la transferència de calor, però també tenen més flexibilitat per deixar prou espai entre els components d’alta potència.

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. La disposició del cablejat de les capes també augmenta la gravetat específica total del coure utilitzat per a la conducció de calor. 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. Les diferents mides de la placa de conducció de calor tenen una gran influència en el rendiment tèrmic. Un full de dades de producte en forma de taula sol incloure aquestes dimensions. Però és difícil quantificar l’impacte del coure afegit en PCBS personalitzats. Amb les calculadores en línia, els usuaris poden seleccionar un dispositiu i canviar la mida del coixinet de coure per estimar el seu efecte sobre el rendiment tèrmic d’un PCB no JEDEC. Aquestes eines de càlcul ressalten fins a quin punt el disseny de PCB influeix en el rendiment de la dissipació de calor. Per als paquets de quatre cares, on l’àrea del coixinet superior és només inferior a la zona del coixinet nu del dispositiu, la capa d’incrustació o posterior és el primer mètode per aconseguir un millor refredament. 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. Els cargols que s’utilitzen per muntar el PCB també poden proporcionar un accés tèrmic efectiu a la base del sistema quan es connecta a la placa tèrmica i a la capa de terra. 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.