Les packages IC reposent sur PCB pour la dissipation thermique. En général, le PCB est la principale méthode de refroidissement pour les dispositifs à semi-conducteurs haute puissance. Une bonne conception de dissipation thermique des PCB a un grand impact, elle peut faire bien fonctionner le système, mais peut également enterrer le danger caché d’accidents thermiques. Une manipulation soigneuse de la disposition des circuits imprimés, de la structure de la carte et du montage de l’appareil peut aider à améliorer les performances de dissipation thermique pour les applications à puissance moyenne et élevée.

Les fabricants de semi-conducteurs ont des difficultés à contrôler les systèmes qui utilisent leurs appareils. Cependant, un système avec un circuit intégré est essentiel aux performances globales de l’appareil. Pour les dispositifs IC personnalisés, le concepteur du système travaille généralement en étroite collaboration avec le fabricant pour s’assurer que le système répond aux nombreuses exigences de dissipation thermique des dispositifs haute puissance. Cette collaboration précoce garantit que le circuit intégré répond aux normes électriques et de performance, tout en garantissant un fonctionnement correct au sein du système de refroidissement du client. De nombreuses grandes entreprises de semi-conducteurs vendent des dispositifs en tant que composants standard, et il n’y a aucun contact entre le fabricant et l’application finale. Dans ce cas, nous ne pouvons utiliser que quelques directives générales pour aider à obtenir une bonne solution de dissipation thermique passive pour les circuits intégrés et le système.

Le type de boîtier semi-conducteur courant est le boîtier nu ou le boîtier PowerPADTM. Dans ces boîtiers, la puce est montée sur une plaque métallique appelée puce. Ce type de coussinet de puce prend en charge la puce dans le processus de traitement de la puce et constitue également un bon chemin thermique pour la dissipation thermique du dispositif. Lorsque la plaquette nue emballée est soudée au PCB, la chaleur est rapidement évacuée du boîtier et dans le PCB. La chaleur est ensuite dissipée à travers les couches de PCB dans l’air ambiant. Les boîtiers à plaquettes nues transfèrent généralement environ 80 % de la chaleur dans le PCB par le bas du boîtier. Les 20 % restants de la chaleur sont émis par les fils de l’appareil et les différents côtés de l’emballage. Moins de 1% de la chaleur s’échappe par le haut de l’emballage. Dans le cas de ces boîtiers à plaquettes nues, une bonne conception de dissipation thermique des circuits imprimés est essentielle pour garantir certaines performances de l’appareil.

Le premier aspect de la conception de circuits imprimés qui améliore les performances thermiques est la disposition des circuits imprimés. Dans la mesure du possible, les composants haute puissance sur le PCB doivent être séparés les uns des autres. Cet espacement physique entre les composants haute puissance maximise la zone PCB autour de chaque composant haute puissance, ce qui permet d’obtenir un meilleur transfert de chaleur. Des précautions doivent être prises pour séparer les composants sensibles à la température des composants haute puissance sur le PCB. Dans la mesure du possible, les composants haute puissance doivent être situés loin des coins du PCB. Une position de PCB plus intermédiaire maximise la surface de la carte autour des composants haute puissance, aidant ainsi à dissiper la chaleur. La figure 2 montre deux dispositifs semi-conducteurs identiques : les composants A et B. Le composant A, situé au coin du PCB, a une température de jonction de puce A 5% plus élevée que le composant B, qui est positionné plus au centre. La dissipation de chaleur au coin du composant A est limitée par la plus petite surface de panneau autour du composant utilisé pour la dissipation de chaleur.

Le deuxième aspect est la structure du PCB, qui a l’influence la plus décisive sur les performances thermiques de la conception des PCB. En règle générale, plus le PCB contient de cuivre, plus les performances thermiques des composants du système sont élevées. La situation idéale de dissipation thermique pour les dispositifs semi-conducteurs est que la puce est montée sur un grand bloc de cuivre refroidi par liquide. Ce n’est pas pratique pour la plupart des applications, nous avons donc dû apporter d’autres modifications au PCB pour améliorer la dissipation de la chaleur. Pour la plupart des applications actuelles, le volume total du système diminue, ce qui affecte négativement les performances de dissipation thermique. Les circuits imprimés plus grands ont une plus grande surface pouvant être utilisée pour le transfert de chaleur, mais ont également plus de flexibilité pour laisser suffisamment d’espace entre les composants haute puissance.

Dans la mesure du possible, maximisez le nombre et l’épaisseur des couches de cuivre des PCB. Le poids du cuivre de mise à la terre est généralement important, ce qui constitue un excellent chemin thermique pour l’ensemble de la dissipation thermique du PCB. La disposition du câblage des couches augmente également la densité totale du cuivre utilisé pour la conduction thermique. Cependant, ce câblage est généralement isolé électriquement, ce qui limite son utilisation comme dissipateur thermique potentiel. La mise à la terre de l’appareil doit être câblée aussi électriquement que possible à autant de couches de mise à la terre que possible pour aider à maximiser la conduction thermique. Les trous de dissipation de chaleur dans le PCB sous le dispositif semi-conducteur aident la chaleur à pénétrer dans les couches intégrées du PCB et à se transférer à l’arrière de la carte.

Les couches supérieure et inférieure d’un PCB sont des « emplacements de choix » pour des performances de refroidissement améliorées. L’utilisation de fils plus larges et le routage loin des appareils à haute puissance peuvent fournir un chemin thermique pour la dissipation de la chaleur. Le panneau spécial de conduction thermique est une excellente méthode pour la dissipation thermique des PCB. La plaque conductrice thermique est située sur le dessus ou à l’arrière du PCB et est thermiquement connectée à l’appareil via une connexion directe en cuivre ou un trou traversant thermique. Dans le cas d’un emballage en ligne (uniquement avec des fils des deux côtés de l’emballage), la plaque de conduction thermique peut être située sur le dessus du PCB, en forme d’« os de chien » (le milieu est aussi étroit que l’emballage, le cuivre loin de l’emballage a une grande surface, petite au milieu et grande aux deux extrémités). Dans le cas d’un boîtier à quatre côtés (avec des fils sur les quatre côtés), la plaque de conduction thermique doit être située à l’arrière du PCB ou à l’intérieur du PCB.

L’augmentation de la taille de la plaque de conduction thermique est un excellent moyen d’améliorer les performances thermiques des boîtiers PowerPAD. La taille différente de la plaque de conduction thermique a une grande influence sur les performances thermiques. Une fiche technique de produit sous forme de tableau répertorie généralement ces dimensions. Mais quantifier l’impact du cuivre ajouté sur les PCB personnalisés est difficile. Avec les calculatrices en ligne, les utilisateurs peuvent sélectionner un appareil et modifier la taille de la pastille de cuivre pour estimer son effet sur les performances thermiques d’un PCB non JEDEC. Ces outils de calcul mettent en évidence dans quelle mesure la conception des circuits imprimés influence les performances de dissipation thermique. Pour les emballages à quatre côtés, où la surface du coussin supérieur est juste inférieure à la surface du coussin nu de l’appareil, l’enrobage ou la couche arrière est la première méthode pour obtenir un meilleur refroidissement. Pour les emballages doubles en ligne, nous pouvons utiliser le style de coussin « os de chien » pour dissiper la chaleur.

Enfin, les systèmes avec des PCB plus grands peuvent également être utilisés pour le refroidissement. Les vis utilisées pour monter le PCB peuvent également fournir un accès thermique efficace à la base du système lorsqu’il est connecté à la plaque thermique et à la couche de terre. Compte tenu de la conductivité thermique et du coût, le nombre de vis doit être maximisé au point de rendements décroissants. Le raidisseur de PCB en métal a plus de zone de refroidissement après avoir été connecté à la plaque thermique. Pour certaines applications où le boîtier PCB a une coque, le matériau de patch de soudure de TYPE B a une performance thermique plus élevée que la coque refroidie par air. Les solutions de refroidissement, telles que les ventilateurs et les ailettes, sont également couramment utilisées pour le refroidissement du système, mais elles nécessitent souvent plus d’espace ou nécessitent des modifications de conception pour optimiser le refroidissement.

Pour concevoir un système à hautes performances thermiques, il ne suffit pas de choisir un bon dispositif IC et une solution fermée. La planification des performances de refroidissement des circuits intégrés dépend du PCB et de la capacité du système de refroidissement à permettre aux dispositifs à circuits intégrés de refroidir rapidement. La méthode de refroidissement passif mentionnée ci-dessus peut grandement améliorer les performances de dissipation thermique du système.