IC-Pakete verlassen sich auf PCB zur Wärmeableitung. Im Allgemeinen ist PCB die Hauptkühlmethode für Hochleistungs-Halbleiterbauelemente. Ein gutes PCB-Wärmeableitungsdesign hat einen großen Einfluss, es kann das System gut laufen lassen, kann aber auch die versteckte Gefahr von thermischen Unfällen begraben. 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. Ein System mit installiertem IC ist jedoch entscheidend für die Gesamtleistung des Geräts. 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. Viele große Halbleiterunternehmen verkaufen Geräte als Standardkomponenten und es gibt keinen Kontakt zwischen Hersteller und Endanwendung. In diesem Fall können wir nur einige allgemeine Richtlinien verwenden, um eine gute passive Wärmeableitungslösung für IC und System zu erreichen.

Der übliche Halbleiter-Package-Typ ist das Bare-Pad- oder PowerPADTM-Package. Bei diesen Gehäusen ist der Chip auf einer Metallplatte montiert, die als Chip-Pad bezeichnet wird. Diese Art von Chippad unterstützt den Chip bei der Chipverarbeitung und ist auch ein guter Wärmepfad für die Wärmeableitung der Vorrichtung. Wenn die verpackte blanke Kontaktstelle an die Leiterplatte geschweißt wird, wird die Wärme schnell aus der Packung und in die Leiterplatte abgegeben. Die Wärme wird dann über die PCB-Schichten an die Umgebungsluft abgegeben. 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. Weniger als 1% der Wärme entweicht durch die Oberseite der Verpackung. 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. Es sollte darauf geachtet werden, temperaturempfindliche Komponenten von Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte zu trennen. 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. Abbildung 2 zeigt zwei identische Halbleiterbauelemente: 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. Bei den meisten Anwendungen schrumpft heute das Gesamtvolumen des Systems, was sich nachteilig auf die Wärmeableitungsleistung auswirkt. Größere Leiterplatten haben mehr Oberfläche, die für die Wärmeübertragung verwendet werden kann, aber auch mehr Flexibilität, um genügend Platz zwischen Hochleistungskomponenten zu lassen.

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. Die Anordnung der Verdrahtung der Schichten erhöht auch das spezifische Gesamtgewicht von Kupfer, das für die Wärmeleitung verwendet wird. 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. Die unterschiedliche Größe der Wärmeleitplatte hat großen Einfluss auf die Wärmeleistung. Ein tabellarisches Produktdatenblatt listet diese Abmessungen normalerweise auf. Es ist jedoch schwierig, die Auswirkungen von zugesetztem Kupfer auf kundenspezifische PCBS zu quantifizieren. Mit Online-Rechnern können Benutzer ein Gerät auswählen und die Größe des Kupferpads ändern, um seine Auswirkungen auf die thermische Leistung einer Nicht-JEDEC-Leiterplatte abzuschätzen. Diese Berechnungstools zeigen, inwieweit das PCB-Design die Wärmeableitungsleistung beeinflusst. Bei vierseitigen Gehäusen, bei denen die Fläche des oberen Pads nur geringfügig kleiner ist als die Fläche des bloßen Pads des Geräts, ist die Einbettung oder Rückschicht die erste Methode, um eine bessere Kühlung zu erreichen. 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. Die zur Montage der Leiterplatte verwendeten Schrauben können auch einen effektiven thermischen Zugang zur Basis des Systems bieten, wenn sie mit der Thermoplatte und der Erdungsschicht verbunden sind. 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.