¿Cómo se utiliza? PCB para la disipación de calor del paquete IC?

El primer aspecto del diseño de PCB que puede mejorar el rendimiento térmico es el diseño del dispositivo de PCB. Siempre que sea posible, los componentes de alta potencia de la PCB deben estar separados entre sí. Esta separación física entre componentes de alta potencia maximiza el área de PCB alrededor de cada componente de alta potencia, lo que ayuda a lograr una mejor conducción de calor. Se debe tener cuidado de aislar los componentes sensibles a la temperatura en la PCB de los componentes de alta potencia. Siempre que sea posible, la ubicación de instalación de los componentes de alta potencia debe estar lejos de las esquinas de la PCB. Una ubicación de PCB más central puede maximizar el área de la placa alrededor de los componentes de alta potencia, lo que ayuda a disipar el calor. La Figura 2 muestra dos dispositivos semiconductores idénticos: el componente A y el componente B. El componente A está ubicado en la esquina de la PCB y tiene una temperatura de unión del dado que es un 5% más alta que el componente B porque el componente B está ubicado más cerca del medio. Dado que el área de la placa alrededor del componente para la disipación de calor es más pequeña, la disipación de calor en la esquina del componente A es limitada.

¿Cómo utilizar PCB para la disipación de calor del paquete IC?

El segundo aspecto es la estructura de la PCB, que tiene la influencia más decisiva en el rendimiento térmico del diseño de la PCB. El principio general es: cuanto más cobre en la PCB, mayor será el rendimiento térmico de los componentes del sistema. La situación ideal de disipación de calor para los dispositivos semiconductores es que el chip esté montado sobre una gran pieza de cobre refrigerado por líquido. Para la mayoría de las aplicaciones, este método de montaje no es práctico, por lo que solo podemos realizar algunos otros cambios en la PCB para mejorar el rendimiento de disipación de calor. Para la mayoría de las aplicaciones actuales, el volumen total del sistema continúa reduciéndose, lo que tiene un efecto adverso en el rendimiento de disipación de calor. Cuanto más grande sea la PCB, mayor será el área que se puede usar para la conducción de calor, y también tiene mayor flexibilidad, lo que permite suficiente espacio entre los componentes de alta potencia.

Siempre que sea posible, maximice el número y el grosor de los planos de tierra de cobre de la PCB. El peso del cobre de la capa de tierra es generalmente relativamente grande, y es una ruta térmica excelente para que toda la PCB disipe el calor. La disposición del cableado para cada capa también aumentará la proporción total de cobre utilizada para la conducción de calor. Sin embargo, este cableado suele estar aislado eléctrica y térmicamente, lo que limita su función como capa de disipación de calor potencial. El cableado del plano de tierra del dispositivo debe ser lo más eléctrico posible con muchos planos de tierra, para ayudar a maximizar la conducción de calor. Las vías de disipación de calor en la PCB debajo del dispositivo semiconductor ayudan a que el calor ingrese a las capas enterradas de la PCB y conduzca a la parte posterior de la placa de circuito.

Para mejorar el rendimiento de disipación de calor, las capas superior e inferior de la PCB son “ubicaciones doradas”. Utilice cables más anchos y enrutelos lejos de los dispositivos de alta potencia para proporcionar una ruta térmica para la disipación del calor. La placa térmica dedicada es un método excelente para la disipación de calor de PCB. La placa térmica generalmente se encuentra en la parte superior o posterior de la PCB y está conectada térmicamente al dispositivo a través de conexiones directas de cobre o vías térmicas. En el caso del paquete en línea (paquetes con cables en ambos lados), este tipo de placa de conducción de calor puede ubicarse en la parte superior de la PCB y tener la forma de un “hueso de perro” (el medio es tan estrecho como el paquete y el el área alejada del paquete es relativamente pequeña (grande, pequeña en el medio y grande en los extremos). En el caso de un paquete de cuatro lados (hay cables en los cuatro lados), la placa conductora de calor debe ubicarse en la parte posterior de la PCB o entrar en la PCB.

¿Cómo utilizar PCB para la disipación de calor del paquete IC?

Aumentar el tamaño de la placa térmica es una forma excelente de mejorar el rendimiento térmico del paquete PowerPAD. Los diferentes tamaños de placa de conducción de calor tienen una gran influencia en el rendimiento térmico. La hoja de datos del producto proporcionada en forma de tabla generalmente enumera esta información de tamaño. Sin embargo, es difícil cuantificar el impacto del cobre agregado de los PCB personalizados. Con algunas calculadoras en línea, los usuarios pueden seleccionar un dispositivo y luego cambiar el tamaño de la almohadilla de cobre para estimar su impacto en el rendimiento de disipación de calor de PCB que no son JEDEC. Estas herramientas de cálculo destacan el impacto del diseño de PCB en el rendimiento térmico. Para un paquete de cuatro lados, el área de la almohadilla superior es un poco más pequeña que el área de la almohadilla expuesta del dispositivo. En este caso, la capa enterrada o trasera es la primera forma de lograr un mejor enfriamiento. Para paquetes duales en línea, podemos usar una almohadilla estilo “hueso de perro” para disipar el calor.

Finalmente, los sistemas con PCB más grandes también se pueden usar para enfriar. En el caso de que los tornillos estén conectados a la placa conductora de calor y al plano de tierra para disipar el calor, algunos tornillos utilizados para montar la PCB también pueden convertirse en trayectorias de calor efectivas hacia la base del sistema. Teniendo en cuenta el efecto y el costo de la conducción de calor, el número de tornillos debe ser el valor máximo que alcanza el punto de rendimientos decrecientes. Después de conectarse a la placa conductora térmica, la placa de refuerzo de PCB de metal tiene más área de enfriamiento. Para algunas aplicaciones donde la PCB está cubierta con una carcasa, el material de reparación de soldadura de tipo controlado tiene un rendimiento térmico más alto que la carcasa enfriada por aire. Las soluciones de enfriamiento, como ventiladores y disipadores de calor, también son métodos comunes para el enfriamiento del sistema, pero generalmente requieren más espacio o necesitan modificar el diseño para optimizar el efecto de enfriamiento.

Para diseñar un sistema con mayor rendimiento térmico, no es suficiente elegir un buen dispositivo IC y una solución cerrada. El rendimiento de disipación de calor del IC depende de la PCB y de la capacidad del sistema de disipación de calor para enfriar rápidamente los dispositivos IC. Al utilizar el método de enfriamiento pasivo anterior, el rendimiento de disipación de calor del sistema se puede mejorar en gran medida.