Paket IC mengandalkan PCB untuk pembuangan panas. Secara umum, PCB adalah metode pendinginan utama untuk perangkat semikonduktor daya tinggi. Desain pembuangan panas PCB yang baik memiliki dampak yang besar, dapat membuat sistem berjalan dengan baik, tetapi juga dapat mengubur bahaya tersembunyi dari kecelakaan termal. Penanganan tata letak PCB, struktur papan, dan pemasangan perangkat yang cermat dapat membantu meningkatkan kinerja pembuangan panas untuk aplikasi daya sedang dan tinggi.

Produsen semikonduktor mengalami kesulitan mengendalikan sistem yang menggunakan perangkat mereka. Namun, sistem dengan IC yang terpasang sangat penting untuk kinerja perangkat secara keseluruhan. Untuk perangkat IC khusus, perancang sistem biasanya bekerja sama dengan pabrikan untuk memastikan bahwa sistem memenuhi banyak persyaratan pembuangan panas perangkat berdaya tinggi. Kolaborasi awal ini memastikan bahwa IC memenuhi standar kelistrikan dan kinerja, sekaligus memastikan pengoperasian yang tepat dalam sistem pendingin pelanggan. Banyak perusahaan semikonduktor besar menjual perangkat sebagai komponen standar, dan tidak ada kontak antara pabrikan dan aplikasi akhir. Dalam hal ini, kami hanya dapat menggunakan beberapa pedoman umum untuk membantu mencapai solusi disipasi panas pasif yang baik untuk IC dan sistem.

Jenis paket semikonduktor yang umum adalah paket bare pad atau PowerPADTM. Dalam paket ini, chip dipasang pada pelat logam yang disebut chip pad. Jenis bantalan chip ini mendukung chip dalam proses pemrosesan chip, dan juga merupakan jalur termal yang baik untuk pembuangan panas perangkat. Ketika bantalan telanjang yang dikemas dilas ke PCB, panas dengan cepat keluar dari paket dan masuk ke PCB. Panas kemudian dihamburkan melalui lapisan PCB ke udara sekitarnya. Paket bare pad biasanya mentransfer sekitar 80% panas ke PCB melalui bagian bawah paket. Sisa 20% panas dipancarkan melalui kabel perangkat dan berbagai sisi kemasan. Kurang dari 1% panas keluar melalui bagian atas kemasan. Dalam hal paket bare-pad ini, desain pembuangan panas PCB yang baik sangat penting untuk memastikan kinerja perangkat tertentu.

Aspek pertama dari desain PCB yang meningkatkan kinerja termal adalah tata letak perangkat PCB. Bila memungkinkan, komponen daya tinggi pada PCB harus dipisahkan satu sama lain. Jarak fisik antara komponen berdaya tinggi ini memaksimalkan area PCB di sekitar setiap komponen berdaya tinggi, yang membantu mencapai perpindahan panas yang lebih baik. Perawatan harus diambil untuk memisahkan komponen sensitif suhu dari komponen daya tinggi pada PCB. Jika memungkinkan, komponen berdaya tinggi harus ditempatkan jauh dari sudut PCB. Posisi PCB yang lebih menengah memaksimalkan area papan di sekitar komponen berdaya tinggi, sehingga membantu menghilangkan panas. Gambar 2 menunjukkan dua perangkat semikonduktor yang identik: komponen A dan B. Komponen A, yang terletak di sudut PCB, memiliki suhu sambungan chip A 5% lebih tinggi dari komponen B, yang diposisikan lebih sentral. Pembuangan panas di sudut komponen A dibatasi oleh area panel yang lebih kecil di sekitar komponen yang digunakan untuk pembuangan panas.

Aspek kedua adalah struktur PCB, yang memiliki pengaruh paling menentukan pada kinerja termal desain PCB. Sebagai aturan umum, semakin banyak tembaga yang dimiliki PCB, semakin tinggi kinerja termal komponen sistem. Situasi pembuangan panas yang ideal untuk perangkat semikonduktor adalah bahwa chip dipasang pada blok besar tembaga berpendingin cairan. Ini tidak praktis untuk sebagian besar aplikasi, jadi kami harus membuat perubahan lain pada PCB untuk meningkatkan pembuangan panas. Untuk sebagian besar aplikasi saat ini, total volume sistem menyusut, yang berdampak buruk pada kinerja pembuangan panas. PCB yang lebih besar memiliki lebih banyak area permukaan yang dapat digunakan untuk perpindahan panas, tetapi juga memiliki lebih banyak fleksibilitas untuk menyisakan ruang yang cukup di antara komponen berdaya tinggi.

Bila memungkinkan, maksimalkan jumlah dan ketebalan lapisan tembaga PCB. Berat tembaga pentanahan umumnya besar, yang merupakan jalur termal yang sangat baik untuk seluruh pembuangan panas PCB. Susunan kabel lapisan juga meningkatkan berat jenis total tembaga yang digunakan untuk konduksi panas. Namun, kabel ini biasanya diisolasi secara elektrik, membatasi penggunaannya sebagai heat sink potensial. Pengardean perangkat harus disambungkan secara elektrik sebanyak mungkin ke lapisan pengardean sebanyak mungkin untuk membantu memaksimalkan konduksi panas. Lubang pembuangan panas di PCB di bawah perangkat semikonduktor membantu panas masuk ke lapisan tertanam PCB dan transfer ke bagian belakang papan.

Lapisan atas dan bawah PCB adalah “lokasi utama” untuk meningkatkan kinerja pendinginan. Menggunakan kabel yang lebih lebar dan merutekan jauh dari perangkat berdaya tinggi dapat menyediakan jalur termal untuk pembuangan panas. Papan konduksi panas khusus adalah metode yang sangat baik untuk pembuangan panas PCB. Pelat konduktif termal terletak di bagian atas atau belakang PCB dan terhubung secara termal ke perangkat melalui koneksi tembaga langsung atau lubang tembus termal. Dalam hal pengemasan inline (hanya dengan timah di kedua sisi paket), pelat konduksi panas dapat ditempatkan di bagian atas PCB, berbentuk seperti “tulang anjing” (bagian tengahnya sesempit paket, tembaga jauh dari paket memiliki area yang luas, kecil di tengah dan besar di kedua ujungnya). Dalam hal paket empat sisi (dengan kabel di keempat sisi), pelat konduksi panas harus ditempatkan di bagian belakang PCB atau di dalam PCB.

Meningkatkan ukuran pelat konduksi panas adalah cara terbaik untuk meningkatkan kinerja termal paket PowerPAD. Ukuran pelat konduksi panas yang berbeda memiliki pengaruh besar pada kinerja termal. Lembar data produk tabel biasanya mencantumkan dimensi ini. Tetapi mengukur dampak penambahan tembaga pada PCB khusus sulit dilakukan. Dengan kalkulator online, pengguna dapat memilih perangkat dan mengubah ukuran bantalan tembaga untuk memperkirakan pengaruhnya terhadap kinerja termal PCB non-JEDEC. Alat kalkulasi ini menyoroti sejauh mana desain PCB memengaruhi kinerja pembuangan panas. Untuk paket empat sisi, di mana area pad atas hanya kurang dari area pad telanjang perangkat, penyematan atau lapisan belakang adalah metode pertama untuk mencapai pendinginan yang lebih baik. Untuk paket in-line ganda, kita dapat menggunakan gaya pad “tulang anjing” untuk menghilangkan panas.

Akhirnya, sistem dengan PCB yang lebih besar juga dapat digunakan untuk pendinginan. Sekrup yang digunakan untuk memasang PCB juga dapat menyediakan akses termal yang efektif ke dasar sistem saat terhubung ke pelat termal dan lapisan tanah. Mempertimbangkan konduktivitas termal dan biaya, jumlah sekrup harus dimaksimalkan ke titik pengembalian yang semakin berkurang. Pengaku PCB logam memiliki lebih banyak area pendinginan setelah dihubungkan ke pelat termal. Untuk beberapa aplikasi di mana rumah PCB memiliki cangkang, bahan patch solder TYPE B memiliki kinerja termal yang lebih tinggi daripada cangkang berpendingin udara. Solusi pendinginan, seperti kipas dan sirip, juga biasa digunakan untuk pendinginan sistem, tetapi seringkali membutuhkan lebih banyak ruang atau memerlukan modifikasi desain untuk mengoptimalkan pendinginan.

Untuk merancang sistem dengan kinerja termal yang tinggi, tidak cukup memilih perangkat IC yang baik dan solusi tertutup. Penjadwalan kinerja pendinginan IC tergantung pada PCB dan kapasitas sistem pendingin untuk memungkinkan perangkat IC mendingin dengan cepat. Metode pendinginan pasif yang disebutkan di atas dapat sangat meningkatkan kinerja pembuangan panas sistem.