بسته های IC بر اساس آن تکیه می کنند PCB برای دفع گرما به طور کلی ، PCB اصلی ترین روش خنک کننده برای دستگاه های نیمه هادی با قدرت بالا است. یک طرح اتلاف گرمای خوب PCB تأثیر زیادی دارد ، می تواند سیستم را به خوبی اجرا کند ، اما همچنین می تواند خطر پنهان حوادث حرارتی را دفن کند. 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. با این حال ، یک سیستم با IC نصب شده برای عملکرد کلی دستگاه بسیار مهم است. 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. این همکاری اولیه تضمین می کند که IC با استانداردهای الکتریکی و عملکرد مطابقت دارد ، در حالی که عملکرد مناسب در سیستم خنک کننده مشتری را تضمین می کند. بسیاری از شرکت های بزرگ نیمه هادی دستگاه ها را به عنوان قطعات استاندارد می فروشند و هیچ ارتباطی بین سازنده و برنامه نهایی وجود ندارد. در این مورد ، ما فقط می توانیم از برخی دستورالعمل های کلی برای کمک به دستیابی به یک راه حل اتلاف خوب غیرفعال برای IC و سیستم استفاده کنیم.

نوع معمول بسته های نیمه هادی پد برهنه یا بسته PowerPAD M است. در این بسته ها ، تراشه بر روی یک صفحه فلزی به نام chip pad نصب شده است. این نوع پد تراشه از تراشه در فرایند پردازش تراشه پشتیبانی می کند و همچنین یک مسیر حرارتی مناسب برای دفع گرمای دستگاه است. هنگامی که پد برهنه بسته بندی شده به PCB جوش داده می شود ، گرما به سرعت از بسته خارج شده و وارد PCB می شود. سپس گرما از طریق لایه های PCB در هوای اطراف پخش می شود. بسته های پد برهنه معمولاً حدود 80٪ گرما را از طریق قسمت پایین بسته به PCB منتقل می کنند. 20 درصد باقیمانده گرما از طریق سیمهای دستگاه و طرفهای مختلف بسته ساطع می شود. کمتر از 1٪ گرما از بالای بسته خارج می شود. 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. باید به جداسازی قطعات حساس به دما از اجزای قدرت بالا روی PCB توجه شود. 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. شکل 2 دو دستگاه نیمه هادی یکسان را نشان می دهد: 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.

جنبه دوم ساختار PCB است که بیشترین تأثیر را بر عملکرد حرارتی طراحی PCB دارد. 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. برای اکثر برنامه های کاربردی امروزه ، حجم کل سیستم در حال کوچک شدن است و بر عملکرد اتلاف گرما تأثیر منفی می گذارد. PCBS بزرگتر دارای مساحت بیشتری است که می توان از آن برای انتقال حرارت استفاده کرد ، اما همچنین انعطاف پذیری بیشتری برای ایجاد فضای کافی بین اجزای پرقدرت دارد.

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. ترتیب سیم کشی لایه ها نیز وزن مخصوص مس مورد استفاده برای هدایت گرما را افزایش می دهد. 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. اندازه های مختلف صفحه رسانایی گرما بر عملکرد حرارتی تأثیر زیادی دارد. یک برگه داده جداول محصول معمولاً این ابعاد را فهرست می کند. اما تعیین تأثیر مس اضافه شده بر PCBS سفارشی دشوار است. با استفاده از ماشین حساب های آنلاین ، کاربران می توانند یک دستگاه را انتخاب کرده و اندازه پد مسی را تغییر دهند تا تأثیر آن را بر عملکرد حرارتی یک PCB غیر JEDEC تخمین بزنند. این ابزارهای محاسبه میزان تأثیر طراحی مدار چاپی بر عملکرد اتلاف گرما را مشخص می کند. برای بسته های چهار طرفه ، که در آن سطح بالشتک فقط کمتر از سطح پد برهنه دستگاه است ، جاسازی یا لایه پشتی اولین روش برای دستیابی به سرمایش بهتر است. 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. پیچ هایی که برای نصب PCB استفاده می شود همچنین می تواند در صورت اتصال به صفحه حرارتی و لایه زمین ، دسترسی حرارتی موثری به پایه سیستم ایجاد کند. 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.