IC packages rely on PCB za odvođenje topline. 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. Pažljivo rukovanje rasporedom PCB-a, strukturom ploče i nosačem uređaja može pomoći u poboljšanju performansi rasipanja topline za aplikacije srednje i velike snage.

Proizvođači poluvodiča imaju poteškoća u kontroliranju sustava koji koriste njihove uređaje. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. Za prilagođene IC uređaje, dizajner sustava obično blisko surađuje s proizvođačem kako bi osigurao da sustav zadovoljava mnoge zahtjeve za odvođenje topline za uređaje velike snage. 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. U ovom slučaju možemo koristiti samo neke opće smjernice kako bismo pomogli u postizanju boljeg rješenja pasivnog odvođenja topline za IC i sustav.

Kako projektirati odvođenje topline za PCB

Uobičajena vrsta poluvodičkih paketa je goli pad ili PowerPADTM paket. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Ova vrsta podloge za čipove podržava čip u procesu obrade čipova, a također je i dobar toplinski put za rasipanje topline uređaja. 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. Paketi s golim ulošcima obično prenose oko 80% topline u PCB kroz dno pakiranja. Preostalih 20% topline emitira se kroz žice uređaja i različite strane pakiranja. Less than 1% of the heat escapes through the top of the package. U slučaju ovih golih podloga, dobar dizajn rasipanja topline od PCB-a bitan je za osiguravanje određenih performansi uređaja.

Prvi aspekt dizajna PCB -a koji poboljšava toplinske performanse je izgled PCB uređaja. Kad god je to moguće, komponente velike snage na PCB-u trebaju biti odvojene jedna od druge. Ovaj fizički razmak između komponenti velike snage maksimizira područje PCB-a oko svake komponente velike snage, što pomaže u postizanju boljeg prijenosa topline. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Kad god je to moguće, komponente velike snage trebale bi se nalaziti dalje od uglova PCB-a. Srednji položaj PCB-a povećava površinu ploče oko komponenti velike snage, čime pomaže rasipanju topline. Prikazana su dva identična poluvodička uređaja: komponente A i B. Komponenta A, smještena na uglu PCB -a, ima temperaturu spoja čipa A 5% višu od komponente B, koja je postavljena središnje. Odvođenje topline na uglu komponente A ograničeno je manjom površinom ploče oko komponente koja se koristi za odvođenje topline.

The second aspect is the structure of PCB, which has the most decisive influence on the thermal performance of PCB design. U pravilu, što PCB ima više bakra, to su toplinske performanse komponenti sustava veće. Idealna situacija rasipanja topline za poluvodičke uređaje je ta da je čip postavljen na veliki blok bakra hlađenog tekućinom. To nije praktično za većinu primjena, pa smo morali unijeti druge promjene u PCB kako bismo poboljšali odvođenje topline. 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.

Kad god je moguće, povećajte broj i debljinu slojeva PCB bakra. Težina bakra za uzemljenje općenito je velika, što je izvrstan toplinski put za cijelo odvođenje topline na PCB -u. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Međutim, ovo ožičenje obično je električno izolirano, što ograničava njegovu upotrebu kao potencijalni hladnjak. Uzemljenje uređaja treba biti ožičeno što je više moguće na što više slojeva uzemljenja kako bi se povećala toplinska vodljivost. Rupe za rasipanje topline na PCB -u ispod poluvodičkog uređaja pomažu toplini da uđe u slojeve PCB -a i prenese se na stražnju stranu ploče.

Gornji i donji sloj PCB -a “glavna su mjesta” za poboljšane performanse hlađenja. Korištenje širih žica i usmjeravanje dalje od uređaja velike snage može osigurati toplinski put za odvođenje topline. Posebna ploča za provođenje topline izvrsna je metoda za rasipanje topline PCB -om. Toplinski vodljiva ploča nalazi se na vrhu ili stražnjoj strani PCB-a i toplinski je spojena na uređaj ili izravnom bakrenom vezom ili toplinskom propusnom rupom. U slučaju umetnutog pakiranja (samo s vodovima s obje strane pakiranja), ploča za provođenje topline može se nalaziti na vrhu PCB -a, u obliku “pseće kosti” (sredina je uska kao paket, bakar udaljen od pakiranja ima veliku površinu, malu u sredini i veliku na oba kraja). U slučaju četverostranog pakiranja (s vodovima na sve četiri strane), ploča za provođenje topline mora biti smještena na stražnjoj strani PCB-a ili unutar PCB-a.

Povećanje veličine ploče za provođenje topline izvrstan je način za poboljšanje toplinskih performansi PowerPAD paketa. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Tablični podatkovni list proizvoda obično navodi ove dimenzije. No, teško je kvantificirati utjecaj dodanog bakra na prilagođeni PCBS. 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. Ovi proračunski alati ističu u kojoj mjeri dizajn PCB -a utječe na performanse rasipanja topline. 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. Za dvostruke linijske pakete možemo upotrijebiti stil jastučića “pseća kost” za odvođenje topline.

Konačno, sustavi s većim PCBS -om mogu se koristiti i za hlađenje. 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. S obzirom na toplinsku vodljivost i cijenu, broj vijaka treba povećati do točke smanjenja povrata. Metalni ukrućivač od PCB -a ima više prostora za hlađenje nakon spajanja na termičku ploču. Za neke primjene gdje kućište PCB -a ima omotač, materijal za lemljenje TIP B ima veće toplinske performanse od zračno hlađenog omotača. Rashladna rješenja, poput ventilatora i peraja, također se uobičajeno koriste za hlađenje sustava, ali često zahtijevaju više prostora ili zahtijevaju izmjene dizajna za optimizaciju hlađenja.

Za projektiranje sustava s visokim toplinskim performansama nije dovoljno odabrati dobar IC uređaj i zatvoreno rješenje. Raspored performansi IC hlađenja ovisi o tiskanoj ploči i kapacitetu rashladnog sustava kako bi se IC uređajima omogućilo brzo hlađenje. Gore spomenuta pasivna metoda hlađenja može uvelike poboljšati performanse rasipanja topline u sustavu.