IC packages rely on PCB برای دفع گرما 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. مدیریت دقیق طرح PCB ، ساختار برد و پایه دستگاه می تواند به بهبود عملکرد اتلاف گرما برای برنامه های کاربردی متوسط ​​و قدرتمند کمک کند.

تولیدکنندگان نیمه هادی در کنترل سیستم هایی که از دستگاه های خود استفاده می کنند مشکل دارند. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. برای دستگاه های IC سفارشی ، طراح سیستم معمولاً با تولید کننده همکاری می کند تا اطمینان حاصل کند که سیستم بسیاری از الزامات اتلاف گرما را در دستگاه های با توان بالا برآورده می کند. This early collaboration ensures that the IC meets electrical and performance standards, while ensuring proper operation within the customer’s cooling system. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. در این مورد ، ما فقط می توانیم از برخی دستورالعمل های کلی برای کمک به دستیابی به یک راه حل بهتر اتلاف گرما غیرفعال برای IC و سیستم استفاده کنیم.

نحوه طراحی اتلاف گرما برای PCB

نوع معمول بسته های نیمه هادی پد برهنه یا بسته PowerPAD M است. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. این نوع پد تراشه از تراشه در فرایند پردازش تراشه پشتیبانی می کند و همچنین یک مسیر حرارتی مناسب برای دفع گرمای دستگاه است. 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. بسته های پد برهنه معمولاً حدود 80٪ گرما را از طریق قسمت پایین بسته به PCB منتقل می کنند. The remaining 20% of the heat is emitted through the device wires and various sides of the package. Less than 1% of the heat escapes through the top of the package. در مورد این بسته های برهنه ، طراحی خوب دفع PCB برای اطمینان از عملکرد دستگاه ضروری است.

اولین جنبه طراحی PCB که عملکرد حرارتی را بهبود می بخشد ، چیدمان دستگاه PCB است. در صورت امکان ، اجزای پرقدرت روی PCB باید از یکدیگر جدا شوند. این فاصله فیزیکی بین اجزای پرقدرت ، مساحت PCB را در اطراف هر جزء پرقدرت حداکثر می کند ، که به انتقال بهتر گرما کمک می کند. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. در صورت امکان قطعات پرقدرت باید دور از گوشه های PCB قرار گیرند. یک موقعیت متوسط ​​PCB ، سطح برد را در اطراف اجزای پرقدرت به حداکثر می رساند ، در نتیجه به دفع گرما کمک می کند. دو دستگاه نیمه هادی یکسان نشان داده شده است: اجزای A و B. م Aلفه A ، که در گوشه PCB واقع شده است ، دارای دمای اتصال تراشه A 5٪ بیشتر از جزء B است ، که در مرکزتری قرار گرفته است. اتلاف گرما در گوشه جزء A با محدوده پانل کوچکتر در اطراف جزء مورد استفاده برای اتلاف گرما محدود می شود.

The second aspect is the structure of PCB, which has the most decisive influence on the thermal performance of PCB design. به عنوان یک قاعده کلی ، هرچه مس PCB بیشتر باشد ، عملکرد حرارتی اجزای سیستم بالاتر است. وضعیت ایده آل اتلاف گرما برای دستگاه های نیمه هادی این است که تراشه بر روی یک بلوک بزرگ مس خنک شده با مایع نصب شده است. این برای اکثر برنامه ها کاربردی نیست ، بنابراین مجبور شدیم تغییرات دیگری را در PCB برای بهبود اتلاف گرما ایجاد کنیم. 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.

در صورت امکان ، تعداد و ضخامت لایه های مس PCB را به حداکثر برسانید. وزن مس به طور کلی زیاد است ، که یک مسیر حرارتی عالی برای کل اتلاف گرمای PCB است. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. با این حال ، این سیم کشی معمولاً عایق الکتریکی است و استفاده از آن را به عنوان یک هیت سینک احتمالی محدود می کند. اتصال دستگاه باید تا حد امکان به صورت الکتریکی به بیشتر لایه های زمین متصل شود تا به حداکثر رسانایی گرما کمک کند. سوراخ های اتلاف گرما در PCB زیر دستگاه نیمه هادی به گرما کمک می کند تا به لایه های تعبیه شده PCB وارد شده و به پشت برد منتقل شود.

لایه های بالا و پایین PCB “مکان های اصلی” برای بهبود عملکرد خنک کننده هستند. استفاده از سیم های گسترده تر و مسیریابی دور از دستگاه های پرقدرت می تواند یک مسیر حرارتی برای اتلاف گرما ایجاد کند. تخته رسانایی حرارتی ویژه یک روش عالی برای اتلاف گرمای PCB است. صفحه رسانای حرارتی در بالا یا پشت PCB قرار دارد و از نظر حرارتی از طریق اتصال مستقیم مسی یا سوراخ حرارتی به دستگاه متصل می شود. در مورد بسته بندی خطی (فقط با سرب در دو طرف بسته) ، صفحه انتقال حرارت را می توان در بالای PCB قرار داد و به شکل “استخوان سگ” (وسط آن باریک بسته است ، مس دور از بسته دارای مساحت زیادی است ، در وسط کوچک و در هر دو انتهای آن بزرگ است). در مورد بسته چهار طرفه (با سرب در چهار طرف) ، صفحه هدایت گرما باید در پشت PCB یا داخل PCB قرار گیرد.

افزایش اندازه صفحه هدایت گرما یک راه عالی برای بهبود عملکرد حرارتی بسته های PowerPAD است. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. برگه اطلاعات جداول محصول معمولاً این ابعاد را فهرست می کند. اما تعیین تأثیر مس اضافه شده بر PCBS سفارشی دشوار است. 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. این ابزارهای محاسبه میزان تأثیر طراحی مدار چاپی بر عملکرد اتلاف گرما را مشخص می کند. 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. برای بسته های خطی دوگانه ، می توانیم از سبک پد “استخوان سگ” برای دفع گرما استفاده کنیم.

در نهایت ، سیستم هایی با PCBS بزرگتر نیز می توانند برای خنک کننده استفاده شوند. 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. با توجه به هدایت حرارتی و هزینه ، تعداد پیچ ​​ها باید تا حد کاهش بازده حداکثر شود. سخت کننده فلزی PCB پس از اتصال به صفحه حرارتی دارای سطح خنک کننده بیشتری است. برای برخی از کاربردهایی که محفظه PCB دارای پوسته است ، ماده وصله لحیم کاری TYPE B عملکرد حرارتی بالاتری نسبت به پوسته خنک شده با هوا دارد. محلول های خنک کننده ، مانند فن ها و باله ها نیز معمولاً برای خنک کننده سیستم استفاده می شوند ، اما اغلب به فضای بیشتری نیاز دارند یا برای بهینه سازی سرمایش نیاز به تغییرات طراحی دارند.

برای طراحی یک سیستم با عملکرد حرارتی بالا ، انتخاب یک دستگاه IC خوب و راه حل بسته کافی نیست. زمانبندی عملکرد خنک کننده IC بستگی به THE PCB و ظرفیت سیستم خنک کننده دارد تا اجازه دهد دستگاه های IC به سرعت خنک شوند. روش خنک کننده غیرفعال ذکر شده در بالا می تواند عملکرد اتلاف گرما را تا حد زیادی بهبود بخشد.