IC packages rely on PCB zur Wärmeableitung. 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. Eine sorgfältige Handhabung des PCB-Layouts, der Leiterplattenstruktur und der Gerätemontage kann dazu beitragen, die Wärmeableitungsleistung für Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung zu verbessern.

Halbleiterhersteller haben Schwierigkeiten, Systeme zu steuern, die ihre Geräte verwenden. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. Bei kundenspezifischen IC-Bauelementen arbeitet der Systemdesigner normalerweise eng mit dem Hersteller zusammen, um sicherzustellen, dass das System die vielen Wärmeableitungsanforderungen von Hochleistungsbauelementen erfüllt. Diese frühe Zusammenarbeit stellt sicher, dass der IC die elektrischen und Leistungsstandards erfüllt und gleichzeitig den ordnungsgemäßen Betrieb im Kühlsystem des Kunden gewährleistet. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. In diesem Fall können wir nur einige allgemeine Richtlinien verwenden, um eine bessere passive Wärmeableitungslösung für IC und System zu erreichen.

So entwerfen Sie die Wärmeableitung für PCB

Der übliche Halbleiter-Package-Typ ist das Bare-Pad- oder PowerPADTM-Package. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Diese Art von Chippad unterstützt den Chip bei der Chipverarbeitung und ist auch ein guter Wärmepfad für die Wärmeableitung der Vorrichtung. 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. Blanke Pad-Packages übertragen typischerweise etwa 80 % der Wärme durch den Boden des Packages in die PCB. Die restlichen 20 % der Wärme werden durch die Gerätedrähte und verschiedene Seiten des Gehäuses abgegeben. Less than 1% of the heat escapes through the top of the package. Bei diesen Bare-Pad-Packages ist ein gutes PCB-Wärmeableitungsdesign unerlässlich, um eine bestimmte Geräteleistung sicherzustellen.

Der erste Aspekt des PCB-Designs, der die thermische Leistung verbessert, ist das Layout der PCB-Geräte. Die Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte sollten nach Möglichkeit voneinander getrennt werden. Dieser physische Abstand zwischen Hochleistungskomponenten maximiert die PCB-Fläche um jede Hochleistungskomponente, was zu einer besseren Wärmeübertragung beiträgt. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Hochleistungskomponenten sollten nach Möglichkeit von den Ecken der Leiterplatte entfernt platziert werden. Eine weiter dazwischen liegende PCB-Position maximiert die Platinenfläche um die Hochleistungskomponenten herum und trägt so zur Wärmeableitung bei. Zwei identische Halbleiterbauelemente werden gezeigt: Komponenten A und B. Komponente A, die sich an der Ecke der Leiterplatte befindet, hat eine um 5 % höhere Chip-Junction-Temperatur als Komponente B, die zentraler positioniert ist. Die Wärmeableitung an der Ecke des Bauteils A wird durch die kleinere Plattenfläche um das zur Wärmeableitung genutzte Bauteil begrenzt.

Der zweite Aspekt ist die Struktur der Leiterplatte, die den entscheidenden Einfluss auf die thermische Leistung des PCB-Designs hat. Generell gilt: Je mehr Kupfer die Leiterplatte hat, desto höher ist die thermische Leistung der Systemkomponenten. Die ideale Wärmeableitungssituation für Halbleiterbauelemente besteht darin, dass der Chip auf einem großen Block aus flüssigkeitsgekühltem Kupfer montiert ist. Dies ist für die meisten Anwendungen nicht praktikabel, daher mussten wir andere Änderungen an der Platine vornehmen, um die Wärmeableitung zu verbessern. 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.

Maximieren Sie nach Möglichkeit die Anzahl und Dicke der PCB-Kupferschichten. Das Gewicht von Erdungskupfer ist im Allgemeinen groß, was einen hervorragenden Wärmepfad für die gesamte Wärmeableitung der Leiterplatte darstellt. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Diese Verdrahtung ist jedoch normalerweise elektrisch isoliert, was ihre Verwendung als potenzielle Wärmesenke einschränkt. Die Geräteerdung sollte so elektrisch wie möglich mit möglichst vielen Erdungsschichten verbunden werden, um die Wärmeleitung zu maximieren. Wärmeableitungslöcher in der PCB unter dem Halbleiterbauelement tragen dazu bei, dass Wärme in die eingebetteten Schichten der PCB eindringt und auf die Rückseite der Platine übertragen wird.

Die obere und untere Schicht einer Leiterplatte sind „Prime Locations“ für eine verbesserte Kühlleistung. Die Verwendung breiterer Drähte und die Verlegung weg von Hochleistungsgeräten kann einen thermischen Pfad zur Wärmeableitung bereitstellen. Eine spezielle Wärmeleitplatine ist eine hervorragende Methode zur Wärmeableitung von Leiterplatten. Die wärmeleitende Platte befindet sich auf der Ober- oder Rückseite der Leiterplatte und ist entweder über eine direkte Kupferverbindung oder ein thermisches Durchgangsloch thermisch mit dem Gerät verbunden. Beim Inline-Packaging (nur mit Leitungen auf beiden Seiten des Gehäuses) kann die Wärmeleitplatte oben auf der Leiterplatte in Form eines „Hundeknochens“ angeordnet sein (die Mitte ist so schmal wie das Gehäuse, die Kupfer vom Gehäuse weg hat eine große Fläche, klein in der Mitte und groß an beiden Enden). Bei einem vierseitigen Gehäuse (mit Leitungen an allen vier Seiten) muss sich die Wärmeleitplatte auf der Rückseite der Platine oder innerhalb der Platine befinden.

Die Vergrößerung der Wärmeleitplatte ist eine hervorragende Möglichkeit, die Wärmeleistung von PowerPAD-Gehäusen zu verbessern. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Ein tabellarisches Produktdatenblatt listet diese Maße normalerweise auf. Es ist jedoch schwierig, die Auswirkungen von zugesetztem Kupfer auf kundenspezifische PCBS zu quantifizieren. 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. Diese Berechnungstools zeigen, inwieweit das PCB-Design die Wärmeableitungsleistung beeinflusst. 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. Bei Dual-In-Line-Paketen können wir den Pad-Stil „Hundeknochen“ verwenden, um die Wärme abzuleiten.

Schließlich können auch Systeme mit größeren PCBS zur Kühlung verwendet werden. 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. Unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit und der Kosten sollte die Anzahl der Schrauben so weit maximiert werden, dass der Ertrag sinkt. Die metallische PCB-Versteifung hat mehr Kühlfläche, nachdem sie mit der Thermoplatte verbunden wurde. Für einige Anwendungen, bei denen das PCB-Gehäuse eine Schale hat, hat das Lötpatchmaterial TYP B eine höhere thermische Leistung als die luftgekühlte Schale. Kühllösungen wie Lüfter und Kühlrippen werden ebenfalls häufig zur Systemkühlung verwendet, benötigen jedoch oft mehr Platz oder erfordern Designänderungen, um die Kühlung zu optimieren.

Um ein System mit hoher thermischer Leistung zu entwickeln, reicht es nicht aus, ein gutes IC-Bauelement und eine geschlossene Lösung zu wählen. Die Planung der IC-Kühlleistung hängt von DER PCB und der Kapazität des Kühlsystems ab, damit IC-Geräte schnell abkühlen können. Das oben erwähnte passive Kühlverfahren kann die Wärmeableitungsleistung des Systems stark verbessern.