Balíčky IC se spoléhají PCB pro odvod tepla. Obecně je PCB hlavní chladicí metodou pro vysoce výkonná polovodičová zařízení. Dobrá konstrukce rozptylu tepla DPS má velký dopad, může zajistit dobrý chod systému, ale také může pohřbít skryté nebezpečí tepelných nehod. Pečlivé zacházení s rozložením desek plošných spojů, strukturou desky a držákem zařízení může pomoci zlepšit výkon rozptylu tepla u aplikací se středním a vysokým výkonem.

Výrobci polovodičů mají potíže s ovládáním systémů, které používají jejich zařízení. Systém s nainstalovaným integrovaným obvodem je však rozhodující pro celkový výkon zařízení. U vlastních zařízení IC návrhář systému obvykle úzce spolupracuje s výrobcem, aby zajistil, že systém splňuje mnoho požadavků na odvod tepla u zařízení s vysokým výkonem. Tato raná spolupráce zajišťuje, že IC splňuje elektrické a výkonové standardy a zároveň zajišťuje řádný provoz v chladicím systému zákazníka. Mnoho velkých polovodičových společností prodává zařízení jako standardní součástky a mezi výrobcem a koncovou aplikací není žádný kontakt. V tomto případě můžeme použít pouze některé obecné pokyny, které pomohou dosáhnout lepšího řešení pasivního odvodu tepla pro IC a systém.

Jak navrhnout odvod tepla pro PCB

Běžným typem polovodičového obalu je holý pad nebo balíček PowerPADTM. V těchto balíčcích je čip namontován na kovovou desku nazývanou čipová podložka. Tento druh čipové podložky podporuje čip v procesu zpracování čipu a je také dobrou tepelnou cestou pro odvod tepla zařízením. Když je zabalená holá podložka přivařena k desce plošných spojů, teplo rychle odchází z obalu a do desky plošných spojů. Teplo je poté odváděno vrstvami PCB do okolního vzduchu. Balíky holých podložek obvykle přenášejí asi 80% tepla do DPS skrz spodní část obalu. Zbývajících 20% tepla je emitováno dráty zařízení a různými stranami obalu. Méně než 1% tepla uniká horní částí obalu. V případě těchto balíčků s holými podložkami je pro zajištění výkonu určitých zařízení nezbytný dobrý návrh rozptylu tepla DPS.

Prvním aspektem návrhu DPS, který zlepšuje tepelný výkon, je rozložení zařízení DPS. Kdykoli je to možné, komponenty vysokého výkonu na desce plošných spojů by měly být od sebe odděleny. Tato fyzická vzdálenost mezi součástmi s vysokým výkonem maximalizuje oblast DPS kolem každé součásti s vysokým výkonem, což pomáhá dosáhnout lepšího přenosu tepla. Je třeba věnovat pozornost oddělení teplotně citlivých komponent od vysoce výkonných komponent na desce plošných spojů. Kdykoli je to možné, vysoce výkonné součásti by měly být umístěny mimo rohy desky plošných spojů. Více střední poloha desky plošných spojů maximalizuje oblast desky kolem vysoce výkonných komponent, čímž pomáhá odvádět teplo. Jsou ukázána dvě identická polovodičová zařízení: komponenty A a B. Složka A, umístěná v rohu desky plošných spojů, má teplotu spojení čipu A o 5% vyšší než složka B, která je umístěna více centrálně. Odvod tepla v rohu složky A je omezen menší plochou panelu kolem součásti použité pro odvod tepla.

Druhým aspektem je struktura PCB, která má rozhodující vliv na tepelný výkon konstrukce PCB. Obecně platí, že čím více mědi má DPS, tím vyšší je tepelný výkon součástí systému. Ideální situace pro odvod tepla pro polovodičová zařízení je, že je čip namontován na velkém bloku kapalinou chlazené mědi. To není pro většinu aplikací praktické, takže jsme museli provést další změny na DPS, abychom zlepšili odvod tepla. U většiny dnešních aplikací se celkový objem systému zmenšuje, což nepříznivě ovlivňuje výkon rozptylu tepla. Větší PCBS mají větší povrch, který lze použít pro přenos tepla, ale také mají větší flexibilitu, aby ponechal dostatek prostoru mezi vysoce výkonnými součástmi.

Kdykoli je to možné, maximalizujte počet a tloušťku měděných vrstev PCB. Hmotnost uzemňovací mědi je obecně velká, což je vynikající tepelná cesta pro celý odvod tepla DPS. Uspořádání kabeláže vrstev také zvyšuje celkovou měrnou hmotnost mědi používané pro vedení tepla. Toto zapojení je však obvykle elektricky izolované, což omezuje jeho použití jako potenciálního chladiče. Uzemnění zařízení by mělo být zapojeno co nejvíce elektricky do co nejvíce uzemňovacích vrstev, aby se pomohlo maximalizovat vedení tepla. Otvory pro odvod tepla v desce plošných spojů pod polovodičovým zařízením pomáhají teplo vstoupit do vložených vrstev desky plošných spojů a přenášet je na zadní stranu desky.

Horní a spodní vrstva desky plošných spojů jsou „primární umístění“ pro lepší chladicí výkon. Použití širších vodičů a směrování od zařízení s vysokým výkonem může poskytnout tepelnou cestu pro odvod tepla. Speciální deska pro vedení tepla je vynikající metodou pro odvod tepla PCB. Tepelně vodivá deska je umístěna na horní nebo zadní straně desky plošných spojů a je tepelně spojena se zařízením buď přímým měděným spojením nebo tepelným průchozím otvorem. V případě inline balení (pouze s vývody na obou stranách obalu) může být deska pro vedení tepla umístěna na horní straně desky plošných spojů ve tvaru „psí kosti“ (střed je tak úzký jako obal, měď od obalu má velkou plochu, malou uprostřed a velkou na obou koncích). V případě čtyřstranného balení (s přívody na všech čtyřech stranách) musí být deska pro vedení tepla umístěna na zadní straně desky plošných spojů nebo uvnitř desky plošných spojů.

Zvětšení desky pro vedení tepla je vynikající způsob, jak zlepšit tepelný výkon balíčků PowerPAD. Různá velikost tepelně vodivé desky má velký vliv na tepelný výkon. Tyto rozměry obvykle uvádí tabulkový produktový list. Vyčíslit dopad přidané mědi na vlastní PCBS je obtížné. S online kalkulačkami si uživatelé mohou vybrat zařízení a změnit velikost měděné podložky, aby odhadli její vliv na tepelný výkon desky plošných spojů jiných než JEDEC. Tyto výpočetní nástroje zdůrazňují, do jaké míry návrh DPS ovlivňuje výkon při odvodu tepla. U čtyřstranných balíčků, kde je plocha horní podložky jen menší než plocha holé podložky zařízení, je vložení nebo zadní vrstva první metodou, jak dosáhnout lepšího chlazení. U dvojitých řadových řad můžeme k odvodu tepla použít styl podložky „psí kost“.

Nakonec lze k chlazení použít také systémy s většími PCBS. Šrouby použité k montáži desky plošných spojů mohou také zajistit účinný tepelný přístup k základně systému, když jsou připojeny k tepelné desce a zemní vrstvě. S ohledem na tepelnou vodivost a náklady by měl být počet šroubů maximalizován do bodu klesajících výnosů. Kovová výztuha DPS má po připojení k tepelné desce větší chladicí plochu. U některých aplikací, kde má pouzdro DPS plášť, má materiál pájecí záplaty TYPU B vyšší tepelný výkon než vzduchem chlazený plášť. K chlazení systému se běžně používají také chladicí řešení, jako jsou ventilátory a žebra, ale často vyžadují více prostoru nebo vyžadují konstrukční úpravy pro optimalizaci chlazení.

K návrhu systému s vysokým tepelným výkonem nestačí vybrat dobré IC zařízení a uzavřené řešení. Plánování výkonu chlazení IC závisí na DPS a kapacitě chladicího systému, aby zařízení IC mohla rychle vychladnout. Výše uvedená metoda pasivního chlazení může výrazně zlepšit výkon systému pro odvod tepla.