Os paquetes IC dependen PCB para a disipación de calor. En xeral, o PCB é o principal método de refrixeración para dispositivos semicondutores de alta potencia. Un bo deseño de disipación de calor de PCB ten un gran impacto, pode facer funcionar ben o sistema, pero tamén pode enterrar o perigo oculto de accidentes térmicos. O manexo coidadoso do deseño do PCB, da estrutura da tarxeta e da montaxe do dispositivo pode axudar a mellorar o rendemento da disipación de calor para aplicacións de media e alta potencia.

Os fabricantes de semicondutores teñen dificultades para controlar os sistemas que usan os seus dispositivos. Non obstante, un sistema cun IC instalado é fundamental para o rendemento xeral do dispositivo. Para dispositivos IC personalizados, o deseñador do sistema normalmente traballa en estreita colaboración co fabricante para garantir que o sistema cumpre os moitos requisitos de disipación de calor dos dispositivos de alta potencia. Esta colaboración inicial garante que o CI cumpre os estándares eléctricos e de rendemento, ao mesmo tempo que garante un correcto funcionamento dentro do sistema de refrixeración do cliente. Moitas grandes empresas de semicondutores venden dispositivos como compoñentes estándar e non hai contacto entre o fabricante e a aplicación final. Neste caso, só podemos empregar algunhas directrices xerais para axudar a conseguir unha boa solución de disipación de calor pasiva para IC e sistema.

O tipo de paquete común de semicondutores é o paquete bare ou o paquete PowerPADTM. Nestes paquetes, o chip está montado nunha placa metálica chamada chip pad. Este tipo de pad pad soporta o chip no proceso de procesamento de chips e tamén é un bo camiño térmico para a disipación de calor do dispositivo. Cando a almofada espida empaquetada está soldada ao PCB, a calor sae rapidamente do paquete e entra no PCB. A calor disipase a través das capas de PCB cara ao aire circundante. Os paquetes sen almofadas normalmente transfiren aproximadamente o 80% da calor ao PCB pola parte inferior do paquete. O 20% restante da calor emítese polos fíos do dispositivo e polos distintos lados do paquete. Menos do 1% da calor escapa pola parte superior do envase. No caso destes paquetes sen almofada, un bo deseño de disipación de calor do PCB é esencial para garantir un determinado rendemento do dispositivo.

O primeiro aspecto do deseño de PCB que mellora o rendemento térmico é a disposición do dispositivo PCB. Sempre que sexa posible, os compoñentes de alta potencia do PCB deben separarse entre si. Este espazamento físico entre compoñentes de alta potencia maximiza a área do PCB ao redor de cada compoñente de alta potencia, o que axuda a conseguir unha mellor transferencia de calor. Hai que ter coidado de separar os compoñentes sensibles á temperatura dos compoñentes de alta potencia no PCB. Sempre que sexa posible, os compoñentes de alta potencia deben situarse afastados das esquinas do PCB. Unha posición máis intermedia do PCB maximiza a área da placa ao redor dos compoñentes de alta potencia, contribuíndo así a disipar a calor. A figura 2 mostra dous dispositivos semicondutores idénticos: os compoñentes A e B. O compoñente A, situado na esquina do PCB, ten unha temperatura de unión de chip 5% superior á do compoñente B, que se sitúa de xeito máis central. A disipación de calor na esquina do compoñente A está limitada pola pequena área do panel ao redor do compoñente usado para a disipación de calor.

O segundo aspecto é a estrutura do PCB, que ten a influencia máis decisiva no rendemento térmico do deseño do PCB. Como regra xeral, canto máis cobre ten o PCB, maior será o rendemento térmico dos compoñentes do sistema. A situación ideal de disipación de calor para dispositivos semicondutores é que o chip está montado nun gran bloque de cobre refrixerado por líquido. Isto non é práctico para a maioría das aplicacións, polo que tivemos que facer outros cambios no PCB para mellorar a disipación de calor. Na maioría das aplicacións hoxe en día, o volume total do sistema diminúe, afectando negativamente o rendemento da disipación de calor. Os PCBS máis grandes teñen máis superficie que se pode usar para a transferencia de calor, pero tamén teñen máis flexibilidade para deixar espazo suficiente entre compoñentes de alta potencia.

Sempre que sexa posible, maximice o número e o espesor das capas de cobre PCB. O peso do cobre a terra é xeralmente grande, o que supón un excelente camiño térmico para toda a disipación de calor do PCB. A disposición do cableado das capas tamén aumenta a gravidade específica total do cobre usado para a condución de calor. Non obstante, este cableado normalmente está illado eléctricamente, limitando o seu uso como disipador de calor potencial. A conexión a terra do dispositivo debe conectarse o máis electricamente posible a tantas capas de conexión a terra como sexa posible para axudar a maximizar a condución de calor. Os buratos de disipación de calor no PCB debaixo do dispositivo semicondutor axudan a que a calor entre nas capas incrustadas do PCB e transfíraa á parte traseira da tarxeta.

As capas superior e inferior dun PCB son “localizacións principais” para mellorar o rendemento de refrixeración. Usar fíos máis amplos e afastarse de dispositivos de alta potencia pode proporcionar un camiño térmico para a disipación de calor. A placa especial de condución de calor é un excelente método para a disipación de calor do PCB. A placa condutora térmica está situada na parte superior ou traseira do PCB e está conectada térmicamente ao dispositivo mediante unha conexión directa de cobre ou un burato térmico. No caso de envases en liña (só con cables nos dous lados do paquete), a placa de condución de calor pode estar situada na parte superior do PCB, con forma de “óso de can” (o medio é tan estreito coma o paquete, o o cobre afastado do paquete ten unha área grande, pequena no medio e grande nos dous extremos). No caso dun paquete de catro lados (con cables nos catro lados), a placa de condución de calor debe estar situada na parte traseira do PCB ou dentro do PCB.

Aumentar o tamaño da placa de condución de calor é un xeito excelente de mellorar o rendemento térmico dos paquetes PowerPAD. O diferente tamaño da placa de condución de calor ten unha grande influencia no rendemento térmico. Unha folla de datos tabular do produto normalmente enumera estas dimensións. Pero cuantificar o impacto do cobre engadido no PCBS personalizado é difícil. Con calculadoras en liña, os usuarios poden seleccionar un dispositivo e cambiar o tamaño da almofada de cobre para estimar o seu efecto sobre o rendemento térmico dun PCB non JEDEC. Estas ferramentas de cálculo resaltan en que medida o deseño de PCB inflúe no rendemento da disipación de calor. Para os paquetes de catro caras, onde a área da almofada superior é só inferior á área do almofada espida do dispositivo, o incrustamento ou a capa traseira é o primeiro método para lograr un mellor arrefriamento. Para os paquetes dobres en liña, podemos usar o estilo de almofada “dog bone” para disipar a calor.

Finalmente, os sistemas con PCBS máis grandes tamén se poden usar para arrefriar. Os parafusos utilizados para montar o PCB tamén poden proporcionar un acceso térmico efectivo á base do sistema cando están conectados á placa térmica e á capa de terra. Tendo en conta a condutividade térmica e o custo, o número de parafusos debería maximizarse ata diminuír os rendementos. O reforzo metálico do PCB ten máis área de refrixeración despois de estar conectado á placa térmica. Para algunhas aplicacións onde a carcasa do PCB ten unha carcasa, o material de parche de soldadura TIPO B ten un rendemento térmico superior ao da carcasa arrefriada por aire. As solucións de refrixeración, como ventiladores e aletas, tamén se usan habitualmente para arrefriar o sistema, pero moitas veces requiren máis espazo ou requiren modificacións no deseño para optimizar o arrefriamento.

Para deseñar un sistema con alto rendemento térmico, non é suficiente escoller un bo dispositivo IC e unha solución pechada. A programación do rendemento de refrixeración IC depende do PCB e da capacidade do sistema de refrixeración para permitir que os dispositivos IC se arrefríen rapidamente. O método de refrixeración pasiva mencionado anteriormente pode mellorar moito o rendemento de disipación de calor do sistema.