Τα πακέτα IC βασίζονται σε PCB για απαγωγή θερμότητας. Γενικά, το PCB είναι η κύρια μέθοδος ψύξης για συσκευές ημιαγωγών υψηλής ισχύος. Ένας καλός σχεδιασμός διάχυσης θερμότητας PCB έχει μεγάλο αντίκτυπο, μπορεί να κάνει το σύστημα να λειτουργεί καλά, αλλά μπορεί επίσης να θάψει τον κρυφό κίνδυνο θερμικών ατυχημάτων. Ο προσεκτικός χειρισμός της διάταξης PCB, της δομής του πίνακα και της βάσης της συσκευής μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση της απόδοσης διάχυσης θερμότητας για εφαρμογές μέσης και υψηλής ισχύος.

Οι κατασκευαστές ημιαγωγών αντιμετωπίζουν δυσκολίες στον έλεγχο των συστημάτων που χρησιμοποιούν τις συσκευές τους. Ωστόσο, ένα σύστημα με εγκατεστημένο IC είναι κρίσιμο για τη συνολική απόδοση της συσκευής. Για προσαρμοσμένες συσκευές IC, ο σχεδιαστής συστήματος συνήθως συνεργάζεται στενά με τον κατασκευαστή για να διασφαλίσει ότι το σύστημα πληροί τις πολλές απαιτήσεις διασποράς θερμότητας συσκευών υψηλής ισχύος. Αυτή η πρώιμη συνεργασία διασφαλίζει ότι το IC πληροί τα ηλεκτρικά πρότυπα και τις επιδόσεις, ενώ διασφαλίζει τη σωστή λειτουργία στο σύστημα ψύξης του πελάτη. Πολλές μεγάλες εταιρείες ημιαγωγών πωλούν συσκευές ως στάνταρ εξαρτήματα και δεν υπάρχει καμία επαφή μεταξύ του κατασκευαστή και της τελικής εφαρμογής. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μόνο μερικές γενικές οδηγίες για να βοηθήσουμε στην επίτευξη μιας καλής παθητικής λύσης διάχυσης θερμότητας για το IC και το σύστημα.

Ο κοινός τύπος πακέτου ημιαγωγών είναι γυμνό μαξιλάρι ή πακέτο PowerPAD M. Σε αυτές τις συσκευασίες, το τσιπ είναι τοποθετημένο σε μια μεταλλική πλάκα που ονομάζεται chip pad. Αυτό το είδος μαξιλαριού τσιπ υποστηρίζει το τσιπ στη διαδικασία επεξεργασίας τσιπ και είναι επίσης μια καλή θερμική διαδρομή για τη διάχυση θερμότητας της συσκευής. Όταν το πακέτο γυμνού μαξιλαριού συγκολλάται στο PCB, η θερμότητα εξέρχεται γρήγορα από τη συσκευασία και στο PCB. Στη συνέχεια η θερμότητα διαχέεται μέσω των στρωμάτων PCB στον περιβάλλοντα αέρα. Τα πακέτα γυμνού μαξιλαριού συνήθως μεταφέρουν περίπου το 80% της θερμότητας στο PCB μέσω του κάτω μέρους της συσκευασίας. Το υπόλοιπο 20% της θερμότητας εκπέμπεται μέσω των καλωδίων της συσκευής και των διαφόρων πλευρών της συσκευασίας. Λιγότερο από 1% της θερμότητας διαφεύγει από το επάνω μέρος της συσκευασίας. Στην περίπτωση αυτών των πακέτων γυμνού, ο καλός σχεδιασμός διάχυσης θερμότητας PCB είναι απαραίτητος για τη διασφάλιση ορισμένων επιδόσεων της συσκευής.

Η πρώτη πτυχή του σχεδιασμού PCB που βελτιώνει τη θερμική απόδοση είναι η διάταξη συσκευής PCB. Όποτε είναι δυνατόν, τα εξαρτήματα υψηλής ισχύος στο PCB πρέπει να διαχωρίζονται το ένα από το άλλο. Αυτή η φυσική απόσταση μεταξύ εξαρτημάτων υψηλής ισχύος μεγιστοποιεί την περιοχή PCB γύρω από κάθε συστατικό υψηλής ισχύος, γεγονός που βοηθά στην καλύτερη μεταφορά θερμότητας. Πρέπει να ληφθεί μέριμνα για τον διαχωρισμό εξαρτημάτων ευαίσθητων στη θερμοκρασία από εξαρτήματα υψηλής ισχύος στο PCB. Όπου είναι δυνατόν, τα εξαρτήματα υψηλής ισχύος πρέπει να βρίσκονται μακριά από τις γωνίες του PCB. Μια πιο ενδιάμεση θέση PCB μεγιστοποιεί την περιοχή του σκάφους γύρω από τα εξαρτήματα υψηλής ισχύος, συμβάλλοντας έτσι στη διάχυση της θερμότητας. Το σχήμα 2 δείχνει δύο πανομοιότυπες συσκευές ημιαγωγών: τα συστατικά Α και Β. Το εξάρτημα Α, που βρίσκεται στη γωνία του PCB, έχει θερμοκρασία σύνδεσης τσιπ A 5% υψηλότερη από το συστατικό Β, το οποίο είναι πιο κεντρικά τοποθετημένο. Η διάχυση θερμότητας στη γωνία του συστατικού Α περιορίζεται από τη μικρότερη περιοχή του πίνακα γύρω από το συστατικό που χρησιμοποιείται για τη διάχυση θερμότητας.

Η δεύτερη πτυχή είναι η δομή του PCB, η οποία έχει την πιο καθοριστική επίδραση στη θερμική απόδοση του σχεδιασμού PCB. Κατά γενικό κανόνα, όσο περισσότερο χαλκό έχει το PCB, τόσο υψηλότερη είναι η θερμική απόδοση των εξαρτημάτων του συστήματος. Η ιδανική κατάσταση διάχυσης θερμότητας για συσκευές ημιαγωγών είναι ότι το τσιπ είναι τοποθετημένο σε ένα μεγάλο μπλοκ από υγρόψυκτο χαλκό. Αυτό δεν είναι πρακτικό για τις περισσότερες εφαρμογές, οπότε έπρεπε να κάνουμε άλλες αλλαγές στο PCB για να βελτιώσουμε τη διάχυση θερμότητας. Για τις περισσότερες εφαρμογές σήμερα, ο συνολικός όγκος του συστήματος συρρικνώνεται, επηρεάζοντας αρνητικά την απόδοση της διάχυσης θερμότητας. Τα μεγαλύτερα PCBS έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά θερμότητας, αλλά έχουν επίσης μεγαλύτερη ευελιξία ώστε να αφήνουν αρκετό χώρο μεταξύ εξαρτημάτων υψηλής ισχύος.

Όποτε είναι δυνατόν, μεγιστοποιήστε τον αριθμό και το πάχος των στρωμάτων χαλκού PCB. Το βάρος της γείωσης του χαλκού είναι γενικά μεγάλο, το οποίο είναι μια εξαιρετική θερμική διαδρομή για ολόκληρη τη διάχυση θερμότητας PCB. Η διάταξη της καλωδίωσης των στρωμάτων αυξάνει επίσης το συνολικό ειδικό βάρος του χαλκού που χρησιμοποιείται για τη θερμική αγωγή. Ωστόσο, αυτή η καλωδίωση είναι συνήθως ηλεκτρικά μονωμένη, περιορίζοντας τη χρήση της ως πιθανής ψύκτρας. Η γείωση της συσκευής πρέπει να συνδέεται όσο το δυνατόν πιο ηλεκτρικά σε όσο το δυνατόν περισσότερα στρώματα γείωσης για να μεγιστοποιηθεί η αγωγιμότητα της θερμότητας. Οι οπές διάχυσης θερμότητας στο PCB κάτω από τη συσκευή ημιαγωγών βοηθούν τη θερμότητα να εισέλθει στα ενσωματωμένα στρώματα του PCB και να μεταφερθεί στο πίσω μέρος της πλακέτας.

Τα επάνω και τα κάτω στρώματα ενός PCB είναι οι «κύριες θέσεις» για βελτιωμένη απόδοση ψύξης. Η χρήση ευρύτερων καλωδίων και η δρομολόγηση μακριά από συσκευές υψηλής ισχύος μπορούν να παρέχουν μια θερμική διαδρομή για τη διάχυση της θερμότητας. Ο ειδικός πίνακας αγωγιμότητας θερμότητας είναι μια εξαιρετική μέθοδος για τη διάχυση θερμότητας PCB. Η θερμική αγώγιμη πλάκα βρίσκεται στο επάνω ή πίσω μέρος του PCB και συνδέεται θερμικά με τη συσκευή είτε μέσω απευθείας χάλκινης σύνδεσης είτε μέσω θερμικής διαμπερούς οπής. Στην περίπτωση της εσωτερικής συσκευασίας (μόνο με καλώδια και στις δύο πλευρές της συσκευασίας), η πλάκα αγωγιμότητας θερμότητας μπορεί να βρίσκεται στην κορυφή του PCB, σε σχήμα “κόκκαλου σκύλου” (η μέση είναι τόσο στενή όσο η συσκευασία, ο χαλκός μακριά από τη συσκευασία έχει μεγάλη επιφάνεια, μικρή στη μέση και μεγάλη και στα δύο άκρα). Στην περίπτωση συσκευασίας τεσσάρων πλευρών (με καλώδια και στις τέσσερις πλευρές), η πλάκα αγωγιμότητας θερμότητας πρέπει να βρίσκεται στο πίσω μέρος του PCB ή μέσα στο PCB.

Η αύξηση του μεγέθους της πλάκας αγωγιμότητας θερμότητας είναι ένας εξαιρετικός τρόπος βελτίωσης της θερμικής απόδοσης των πακέτων PowerPAD. Το διαφορετικό μέγεθος της πλάκας αγωγιμότητας θερμότητας έχει μεγάλη επίδραση στη θερμική απόδοση. Ένα φύλλο δεδομένων πίνακα προϊόντων παραθέτει συνήθως αυτές τις διαστάσεις. Αλλά η ποσοτικοποίηση του αντίκτυπου του προστιθέμενου χαλκού στο προσαρμοσμένο PCBS είναι δύσκολη. Με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, οι χρήστες μπορούν να επιλέξουν μια συσκευή και να αλλάξουν το μέγεθος του μαξιλαριού χαλκού για να εκτιμήσουν την επίδρασή της στη θερμική απόδοση ενός μη JEDEC PCB. Αυτά τα εργαλεία υπολογισμού υπογραμμίζουν τον βαθμό στον οποίο ο σχεδιασμός PCB επηρεάζει την απόδοση της διάχυσης θερμότητας. Για πακέτα τεσσάρων πλευρών, όπου η επιφάνεια του επάνω μαξιλαριού είναι μόλις μικρότερη από την περιοχή του γυμνού μαξιλαριού της συσκευής, η ενσωμάτωση ή το πίσω στρώμα είναι η πρώτη μέθοδος για την καλύτερη ψύξη. Για διπλά πακέτα σε σειρά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το στυλ pad “dog bone” για να διαλύσουμε τη θερμότητα.

Τέλος, συστήματα με μεγαλύτερο PCBS μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για ψύξη. Οι βίδες που χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση του PCB μπορούν επίσης να παρέχουν αποτελεσματική θερμική πρόσβαση στη βάση του συστήματος όταν συνδέονται με τη θερμική πλάκα και το στρώμα γείωσης. Λαμβάνοντας υπόψη τη θερμική αγωγιμότητα και το κόστος, ο αριθμός των βιδών θα πρέπει να μεγιστοποιηθεί στο σημείο της μείωσης των αποδόσεων. Ο μεταλλικός σκληρυντής PCB έχει μεγαλύτερη επιφάνεια ψύξης αφού συνδεθεί στη θερμική πλάκα. Για ορισμένες εφαρμογές όπου το περίβλημα PCB έχει κέλυφος, το υλικό συγκόλλησης TYPE B έχει υψηλότερη θερμική απόδοση από το κέλυφος που ψύχεται με αέρα. Οι λύσεις ψύξης, όπως ανεμιστήρες και πτερύγια, χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως για την ψύξη του συστήματος, αλλά συχνά απαιτούν περισσότερο χώρο ή απαιτούν τροποποιήσεις σχεδιασμού για τη βελτιστοποίηση της ψύξης.

Για να σχεδιάσετε ένα σύστημα με υψηλή θερμική απόδοση, δεν αρκεί να επιλέξετε μια καλή συσκευή IC και κλειστή λύση. Ο προγραμματισμός της απόδοσης ψύξης IC εξαρτάται από το PCB και την ικανότητα του συστήματος ψύξης να επιτρέπει στις συσκευές IC να κρυώσουν γρήγορα. Η μέθοδος παθητικής ψύξης που αναφέρθηκε παραπάνω μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση της διάχυσης θερμότητας του συστήματος.