Los paquetes IC se basan en PCB para la disipación del calor. 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. El manejo cuidadoso del diseño de PCB, la estructura de la placa y el montaje del dispositivo puede ayudar a mejorar el rendimiento de disipación de calor para aplicaciones de potencia media y alta.

Los fabricantes de semiconductores tienen dificultades para controlar los sistemas que utilizan sus dispositivos. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. Para los dispositivos IC personalizados, el diseñador del sistema normalmente trabaja en estrecha colaboración con el fabricante para garantizar que el sistema cumpla con los numerosos requisitos de disipación de calor de los dispositivos de alta potencia. Esta colaboración temprana garantiza que el IC cumpla con los estándares eléctricos y de rendimiento, al tiempo que garantiza un funcionamiento adecuado dentro del sistema de refrigeración del cliente. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. En este caso, solo podemos utilizar algunas pautas generales para ayudar a lograr una mejor solución pasiva de disipación de calor para el IC y el sistema.

Cómo diseñar la disipación de calor para PCB

El tipo de paquete de semiconductores común es una almohadilla desnuda o un paquete PowerPADTM. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Este tipo de almohadilla de chip admite el chip en el proceso de procesamiento del chip y también es una buena ruta térmica para la disipación de calor del dispositivo. 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. Los paquetes de almohadillas desnudas generalmente transfieren alrededor del 80% del calor a la PCB a través de la parte inferior del paquete. El 20% restante del calor se emite a través de los cables del dispositivo y varios lados del paquete. Menos del 1% del calor se escapa por la parte superior del paquete. En el caso de estos paquetes de almohadilla básica, un buen diseño de disipación de calor de PCB es esencial para garantizar el rendimiento de cierto dispositivo.

El primer aspecto del diseño de PCB que mejora 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. Este espacio físico entre los componentes de alta potencia maximiza el área de PCB alrededor de cada componente de alta potencia, lo que ayuda a lograr una mejor transferencia de calor. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Siempre que sea posible, los componentes de alta potencia deben ubicarse lejos de las esquinas de la PCB. Una posición de PCB más intermedia maximiza el área de la placa alrededor de los componentes de alta potencia, lo que ayuda a disipar el calor. Se muestran dos dispositivos semiconductores idénticos: los componentes A y B. El componente A, ubicado en la esquina de la PCB, tiene una temperatura de unión del chip un 5% más alta que el componente B, que está ubicado más centralmente. La disipación de calor en la esquina del componente A está limitada por el área más pequeña del panel alrededor del componente utilizado para la disipación de calor.

El segundo aspecto es la estructura de PCB, que tiene la influencia más decisiva en el rendimiento térmico del diseño de PCB. Como regla general, cuanto más cobre tenga la PCB, mayor será el rendimiento térmico de los componentes del sistema. La situación ideal de disipación de calor para dispositivos semiconductores es que el chip esté montado sobre un gran bloque de cobre refrigerado por líquido. Esto no es práctico para la mayoría de las aplicaciones, por lo que tuvimos que realizar otros cambios en la PCB para mejorar la disipación de calor. 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.

Siempre que sea posible, maximice el número y el grosor de las capas de cobre de PCB. El peso del cobre de conexión a tierra es generalmente grande, lo que constituye una excelente ruta térmica para toda la disipación de calor de la PCB. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Sin embargo, este cableado suele estar aislado eléctricamente, lo que limita su uso como potencial disipador de calor. La conexión a tierra del dispositivo debe conectarse lo más eléctricamente posible a tantas capas de conexión a tierra como sea posible para ayudar a maximizar la conducción de calor. Los orificios de disipación de calor en la PCB debajo del dispositivo semiconductor ayudan a que el calor ingrese a las capas incrustadas de la PCB y se transfiera a la parte posterior de la placa.

Las capas superior e inferior de una placa de circuito impreso son “ubicaciones principales” para mejorar el rendimiento de refrigeración. El uso de cables más anchos y el enrutamiento lejos de dispositivos de alta potencia pueden proporcionar una ruta térmica para la disipación de calor. La placa de conducción de calor especial es un método excelente para la disipación de calor de PCB. La placa termoconductora está ubicada en la parte superior o posterior de la PCB y está conectada térmicamente al dispositivo a través de una conexión de cobre directa o un orificio pasante térmico. En el caso del empaque en línea (solo con cables en ambos lados del paquete), la placa de conducción de calor se puede ubicar en la parte superior de la PCB, con forma de “hueso de perro” (el medio es tan estrecho como el paquete, el el cobre alejado del paquete tiene un área grande, pequeña en el medio y grande en ambos extremos). En el caso de un paquete de cuatro lados (con cables en los cuatro lados), la placa de conducción de calor debe ubicarse en la parte posterior de la PCB o dentro de la PCB.

Aumentar el tamaño de la placa de conducción de calor es una forma excelente de mejorar el rendimiento térmico de los paquetes PowerPAD. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Una hoja de datos del producto tabular generalmente enumera estas dimensiones. Pero cuantificar el impacto del cobre agregado en los PCBS personalizados es difícil. 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. Estas herramientas de cálculo resaltan hasta qué punto el diseño de PCB influye en el rendimiento de disipación de calor. 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. Para paquetes duales en línea, podemos usar el estilo de almohadilla de “hueso de perro” para disipar el calor.

Finalmente, los sistemas con PCBS más grandes también se pueden usar para enfriar. 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. Teniendo en cuenta la conductividad térmica y el costo, el número de tornillos debe maximizarse hasta el punto de rendimientos decrecientes. El refuerzo de PCB de metal tiene más área de enfriamiento después de ser conectado a la placa térmica. Para algunas aplicaciones donde la carcasa de la PCB tiene una carcasa, el material del parche de soldadura TIPO B tiene un rendimiento térmico más alto que la carcasa enfriada por aire. Las soluciones de enfriamiento, como ventiladores y aletas, también se utilizan comúnmente para el enfriamiento del sistema, pero a menudo requieren más espacio o requieren modificaciones de diseño para optimizar el enfriamiento.

Para diseñar un sistema con alto rendimiento térmico, no es suficiente elegir un buen dispositivo IC y una solución cerrada. La programación del rendimiento de refrigeración de IC depende de LA PCB y de la capacidad del sistema de refrigeración para permitir que los dispositivos de IC se enfríen rápidamente. El método de enfriamiento pasivo mencionado anteriormente puede mejorar en gran medida el rendimiento de disipación de calor del sistema.