Come si usa PCB per la dissipazione del calore del pacchetto IC?

Il primo aspetto della progettazione PCB che può migliorare le prestazioni termiche è il layout del dispositivo PCB. Quando possibile, i componenti ad alta potenza sul PCB dovrebbero essere separati l’uno dall’altro. Questa separazione fisica tra i componenti ad alta potenza massimizza l’area del PCB attorno a ciascun componente ad alta potenza, contribuendo così a ottenere una migliore conduzione del calore. Occorre prestare attenzione per isolare i componenti sensibili alla temperatura sul PCB dai componenti ad alta potenza. Quando possibile, il luogo di installazione dei componenti ad alta potenza dovrebbe essere lontano dagli angoli del PCB. Una posizione più centrale del PCB può massimizzare l’area della scheda attorno ai componenti ad alta potenza, contribuendo così a dissipare il calore. La Figura 2 mostra due dispositivi a semiconduttore identici: il componente A e il componente B. Il componente A si trova all’angolo del PCB e ha una temperatura di giunzione del die che è del 5% superiore rispetto al componente B perché il componente B si trova più vicino al centro. Poiché l’area della scheda attorno al componente per la dissipazione del calore è più piccola, la dissipazione del calore all’angolo del componente A è limitata.

Come utilizzare il PCB per la dissipazione del calore del pacchetto IC?

Il secondo aspetto è la struttura del PCB, che ha l’influenza più decisiva sulle prestazioni termiche della progettazione del PCB. Il principio generale è: più rame è presente nel PCB, maggiori sono le prestazioni termiche dei componenti del sistema. La situazione ideale di dissipazione del calore per i dispositivi a semiconduttore è che il chip è montato su un grande pezzo di rame raffreddato a liquido. Per la maggior parte delle applicazioni, questo metodo di montaggio non è pratico, quindi possiamo solo apportare alcune altre modifiche al PCB per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore. Per la maggior parte delle applicazioni odierne, il volume totale del sistema continua a ridursi, il che ha un effetto negativo sulle prestazioni di dissipazione del calore. Più grande è il PCB, maggiore è l’area che può essere utilizzata per la conduzione del calore e ha anche una maggiore flessibilità, consentendo spazio sufficiente tra i componenti ad alta potenza.

Quando possibile, massimizzare il numero e lo spessore dei piani di massa in rame PCB. Il peso del rame dello strato di terra è generalmente relativamente grande ed è un eccellente percorso termico per l’intero PCB per dissipare il calore. La disposizione del cablaggio per ogni strato aumenterà anche la proporzione totale di rame utilizzata per la conduzione del calore. Tuttavia, questo cablaggio è solitamente isolato elettricamente e termicamente, il che limita il suo ruolo di potenziale strato di dissipazione del calore. Il cablaggio del piano di massa del dispositivo dovrebbe essere il più elettrico possibile con molti piani di massa, in modo da massimizzare la conduzione del calore. I via di dissipazione del calore sul PCB sotto il dispositivo a semiconduttore aiutano il calore a entrare negli strati sepolti del PCB e a condurre sul retro del circuito.

Per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore, gli strati superiore e inferiore del PCB sono “luoghi d’oro”. Utilizzare cavi più larghi e instradarli lontano dai dispositivi ad alta potenza per fornire un percorso termico per la dissipazione del calore. La scheda termica dedicata è un metodo eccellente per la dissipazione del calore del PCB. La scheda termica è generalmente posizionata sulla parte superiore o posteriore del PCB ed è collegata termicamente al dispositivo tramite connessioni dirette in rame o termiche. Nel caso di pacchetto in linea (pacchetti con cavi su entrambi i lati), questo tipo di scheda di conduzione del calore può essere posizionato sulla parte superiore del PCB e modellato come un “osso di cane” (il centro è stretto come il pacchetto e il l’area lontana dalla confezione è relativamente piccola (grande, piccola al centro e grande alle estremità). Nel caso di un pacchetto a quattro lati (ci sono cavi su tutti e quattro i lati), la piastra termoconduttiva deve trovarsi sul retro del PCB o entrare nel PCB.

Come utilizzare il PCB per la dissipazione del calore del pacchetto IC?

L’aumento delle dimensioni della scheda termica è un modo eccellente per migliorare le prestazioni termiche del pacchetto PowerPAD. Le diverse dimensioni delle piastre di conduzione del calore hanno una grande influenza sulle prestazioni termiche. La scheda tecnica del prodotto fornita sotto forma di tabella elenca generalmente queste informazioni sulle dimensioni. Tuttavia, è difficile quantificare l’impatto del rame aggiunto dei PCB personalizzati. Utilizzando alcuni calcolatori online, gli utenti possono selezionare un dispositivo e quindi modificare le dimensioni del pad in rame per stimarne l’impatto sulle prestazioni di dissipazione del calore dei PCB non JEDEC. Questi strumenti di calcolo evidenziano l’impatto della progettazione PCB sulle prestazioni termiche. Per un pacchetto a quattro lati, l’area del pad superiore è appena più piccola dell’area del pad esposto del dispositivo. In questo caso, lo strato interrato o posteriore è il primo modo per ottenere un migliore raffreddamento. Per i doppi pacchetti in linea, possiamo utilizzare uno stile di pad “dog bone” per dissipare il calore.

Infine, per il raffreddamento possono essere utilizzati anche sistemi con PCB più grandi. Nel caso in cui le viti siano collegate alla piastra termoconduttiva e al piano di massa per la dissipazione del calore, alcune viti utilizzate per montare il PCB possono anche diventare efficaci percorsi di calore verso la base del sistema. Considerando l’effetto di conduzione del calore e il costo, il numero di viti dovrebbe essere il valore massimo che raggiunge il punto di rendimenti decrescenti. Dopo essere stata collegata alla piastra conduttiva termica, la piastra di rinforzo del PCB in metallo ha più area di raffreddamento. Per alcune applicazioni in cui il PCB è ricoperto da un guscio, il materiale di riparazione della saldatura controllato dal tipo ha prestazioni termiche più elevate rispetto al guscio raffreddato ad aria. Anche le soluzioni di raffreddamento, come ventole e dissipatori di calore, sono metodi comuni per il raffreddamento del sistema, ma di solito richiedono più spazio o devono modificare il design per ottimizzare l’effetto di raffreddamento.

Per progettare un sistema con prestazioni termiche più elevate, non è sufficiente scegliere un buon dispositivo IC e una soluzione chiusa. Le prestazioni di dissipazione del calore dell’IC dipendono dal PCB e dalla capacità del sistema di dissipazione del calore di raffreddare rapidamente i dispositivi IC. Utilizzando il suddetto metodo di raffreddamento passivo, le prestazioni di dissipazione del calore del sistema possono essere notevolmente migliorate.