¿Has aprendido la tecnología de enfriamiento de PCB?

Los paquetes IC se basan en PCB para la disipación del calor. En general, PCB es el principal método de enfriamiento para dispositivos semiconductores de alta potencia. Un buen diseño de disipación de calor de PCB tiene un gran impacto, puede hacer que el sistema funcione bien, pero también puede ocultar el peligro oculto de accidentes térmicos. 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.

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Los fabricantes de semiconductores tienen dificultades para controlar los sistemas que utilizan sus dispositivos. Sin embargo, un sistema con un IC instalado es fundamental para el rendimiento general del dispositivo. 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. Muchas grandes empresas de semiconductores venden dispositivos como componentes estándar y no hay contacto entre el fabricante y la aplicación final. En este caso, solo podemos usar algunas pautas generales para ayudar a lograr una buena solución pasiva de disipación de calor para IC y sistema.

El tipo de paquete de semiconductores común es una almohadilla desnuda o un paquete PowerPADTM. En estos paquetes, el chip se monta en una placa de metal llamada 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. Cuando la almohadilla desnuda empaquetada se suelda a la PCB, el calor sale rápidamente del paquete y entra en la PCB. Luego, el calor se disipa a través de las capas de PCB hacia el aire circundante. 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. Se debe tener cuidado de separar los componentes sensibles a la temperatura de los componentes de alta potencia en la 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. La figura 2 muestra 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. Para la mayoría de las aplicaciones actuales, el volumen total del sistema se está reduciendo, lo que afecta negativamente el rendimiento de disipación de calor. Los PCBS más grandes tienen más área de superficie que se puede usar para la transferencia de calor, pero también tienen más flexibilidad para dejar suficiente espacio entre los componentes de alta potencia.

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. La disposición del cableado de las capas también aumenta la gravedad específica total del cobre utilizado para la conducción de calor. 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. El tamaño diferente de la placa de conducción de calor tiene una gran influencia en el rendimiento térmico. Una hoja de datos del producto tabular normalmente enumera estas dimensiones. Pero cuantificar el impacto del cobre agregado en los PCBS personalizados es difícil. Con las calculadoras en línea, los usuarios pueden seleccionar un dispositivo y cambiar el tamaño de la almohadilla de cobre para estimar su efecto sobre el rendimiento térmico de una PCB que no es JEDEC. Estas herramientas de cálculo resaltan hasta qué punto el diseño de PCB influye en el rendimiento de disipación de calor. Para paquetes de cuatro lados, donde el área de la almohadilla superior es un poco menor que el área de la almohadilla desnuda del dispositivo, la incrustación o la capa posterior es el primer método para lograr un mejor enfriamiento. 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. Los tornillos utilizados para montar la PCB también pueden proporcionar un acceso térmico efectivo a la base del sistema cuando se conecta a la placa térmica y la capa de tierra. 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.