La tecnologia di raffreddamento PCB hai imparato?

I pacchetti IC si basano su PCB per la dissipazione del calore. In generale, il PCB è il principale metodo di raffreddamento per i dispositivi a semiconduttore ad alta potenza. Un buon design di dissipazione del calore del PCB ha un grande impatto, può far funzionare bene il sistema, ma può anche seppellire il pericolo nascosto di incidenti termici. Un’attenta gestione del layout del PCB, della struttura della scheda e del montaggio del dispositivo può aiutare a migliorare le prestazioni di dissipazione del calore per applicazioni di media e alta potenza.

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I produttori di semiconduttori hanno difficoltà a controllare i sistemi che utilizzano i loro dispositivi. Tuttavia, un sistema con un IC installato è fondamentale per le prestazioni complessive del dispositivo. Per i dispositivi IC personalizzati, il progettista del sistema in genere lavora a stretto contatto con il produttore per garantire che il sistema soddisfi i numerosi requisiti di dissipazione del calore dei dispositivi ad alta potenza. Questa prima collaborazione garantisce che l’IC soddisfi gli standard elettrici e prestazionali, garantendo al contempo il corretto funzionamento all’interno del sistema di raffreddamento del cliente. Molte grandi aziende di semiconduttori vendono dispositivi come componenti standard e non vi è alcun contatto tra il produttore e l’applicazione finale. In questo caso, possiamo utilizzare solo alcune linee guida generali per aiutare a ottenere una buona soluzione di dissipazione del calore passiva per IC e sistema.

Il tipo comune di pacchetto di semiconduttori è il pad nudo o il pacchetto PowerPADTM. In questi pacchetti, il chip è montato su una piastra metallica chiamata chip pad. Questo tipo di chip pad supporta il chip nel processo di elaborazione del chip ed è anche un buon percorso termico per la dissipazione del calore del dispositivo. Quando il pad nudo imballato viene saldato al PCB, il calore viene rapidamente espulso dal pacchetto e nel PCB. Il calore viene quindi dissipato attraverso gli strati del PCB nell’aria circostante. I pacchetti a pad nudo in genere trasferiscono circa l’80% del calore nel PCB attraverso il fondo del pacchetto. Il restante 20% del calore viene emesso attraverso i fili del dispositivo e vari lati della confezione. Meno dell’1% del calore fuoriesce dalla parte superiore della confezione. Nel caso di questi pacchetti bare-pad, una buona progettazione della dissipazione del calore del PCB è essenziale per garantire determinate prestazioni del dispositivo.

Il primo aspetto della progettazione PCB che migliora 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 distanza fisica tra i componenti ad alta potenza massimizza l’area del PCB attorno a ciascun componente ad alta potenza, il che aiuta a ottenere un migliore trasferimento di calore. Prestare attenzione a separare i componenti sensibili alla temperatura dai componenti ad alta potenza sul PCB. Ove possibile, i componenti ad alta potenza dovrebbero essere posizionati lontano dagli angoli del PCB. Una posizione PCB più intermedia massimizza 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: i componenti A e B. Il componente A, situato all’angolo del PCB, ha una temperatura di giunzione del chip A superiore del 5% rispetto al componente B, che è posizionato più centralmente. La dissipazione del calore all’angolo del componente A è limitata dall’area del pannello più piccola attorno al componente utilizzato per la dissipazione del calore.

Il secondo aspetto è la struttura del PCB, che ha l’influenza più decisiva sulle prestazioni termiche della progettazione del PCB. Come regola generale, più rame ha il 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 blocco di rame raffreddato a liquido. Questo non è pratico per la maggior parte delle applicazioni, quindi abbiamo dovuto apportare altre modifiche al PCB per migliorare la dissipazione del calore. Per la maggior parte delle applicazioni odierne, il volume totale del sistema si sta riducendo, influenzando negativamente le prestazioni di dissipazione del calore. I PCB più grandi hanno una superficie maggiore che può essere utilizzata per il trasferimento di calore, ma hanno anche una maggiore flessibilità per lasciare spazio sufficiente tra i componenti ad alta potenza.

Quando possibile, massimizzare il numero e lo spessore degli strati di rame PCB. Il peso del rame di messa a terra è generalmente elevato, il che rappresenta un eccellente percorso termico per l’intera dissipazione del calore del PCB. La disposizione del cablaggio degli strati aumenta anche il peso specifico totale del rame utilizzato per la conduzione del calore. Tuttavia, questo cablaggio è solitamente isolato elettricamente, limitando il suo utilizzo come potenziale dissipatore di calore. La messa a terra del dispositivo deve essere collegata il più possibile elettricamente al maggior numero possibile di strati di messa a terra per massimizzare la conduzione del calore. I fori di dissipazione del calore nel PCB sotto il dispositivo a semiconduttore aiutano il calore a penetrare negli strati incorporati del PCB e a trasferirsi sul retro della scheda.

Gli strati superiore e inferiore di un PCB sono “posizioni privilegiate” per migliorare le prestazioni di raffreddamento. L’utilizzo di cavi più larghi e l’instradamento lontano da dispositivi ad alta potenza può fornire un percorso termico per la dissipazione del calore. La speciale scheda di conduzione del calore è un metodo eccellente per la dissipazione del calore del PCB. La piastra conduttiva termica si trova sulla parte superiore o posteriore del PCB ed è collegata termicamente al dispositivo tramite una connessione diretta in rame o un foro termico passante. Nel caso di confezionamento in linea (solo con conduttori su entrambi i lati della confezione), la piastra di conduzione del calore può essere posizionata sulla parte superiore del PCB, a forma di “osso di cane” (il centro è stretto quanto la confezione, il il rame lontano dalla confezione ha un’area ampia, piccola al centro e grande ad entrambe le estremità). In caso di confezione a quattro lati (con cavi su tutti e quattro i lati), la piastra di conduzione del calore deve essere posizionata sul retro del PCB o all’interno del PCB.

L’aumento delle dimensioni della piastra di conduzione del calore è un modo eccellente per migliorare le prestazioni termiche dei pacchetti PowerPAD. Le diverse dimensioni della piastra di conduzione del calore hanno una grande influenza sulle prestazioni termiche. Una scheda dati prodotto tabulare in genere elenca queste dimensioni. Ma quantificare l’impatto del rame aggiunto sui PCB personalizzati è difficile. Con i calcolatori online, gli utenti possono selezionare un dispositivo e modificare le dimensioni del pad in rame per stimarne l’effetto sulle prestazioni termiche di un PCB non JEDEC. Questi strumenti di calcolo evidenziano la misura in cui il design del PCB influenza le prestazioni di dissipazione del calore. Per i contenitori a quattro lati, in cui l’area del pad superiore è appena inferiore all’area del pad nudo del dispositivo, l’incorporamento o lo strato posteriore è il primo metodo per ottenere un migliore raffreddamento. Per i doppi pacchetti in linea, possiamo utilizzare lo stile del pad “dog bone” per dissipare il calore.

Infine, per il raffreddamento possono essere utilizzati anche sistemi con PCB più grandi. Le viti utilizzate per montare il PCB possono anche fornire un accesso termico efficace alla base del sistema quando sono collegate alla piastra termica e allo strato di terra. Considerando la conduttività termica e il costo, il numero di viti dovrebbe essere massimizzato al punto da diminuire i rendimenti. L’irrigidimento del PCB in metallo ha più area di raffreddamento dopo essere stato collegato alla piastra termica. Per alcune applicazioni in cui l’alloggiamento del PCB ha un guscio, il materiale del patch di saldatura di TIPO B ha prestazioni termiche più elevate rispetto al guscio raffreddato ad aria. Anche le soluzioni di raffreddamento, come ventole e alette, sono comunemente utilizzate per il raffreddamento del sistema, ma spesso richiedono più spazio o richiedono modifiche di progettazione per ottimizzare il raffreddamento.

Per progettare un sistema con elevate prestazioni termiche, non è sufficiente scegliere un buon dispositivo IC e una soluzione chiusa. La programmazione delle prestazioni di raffreddamento IC dipende dal PCB e dalla capacità del sistema di raffreddamento per consentire ai dispositivi IC di raffreddarsi rapidamente. Il metodo di raffreddamento passivo sopra menzionato può migliorare notevolmente le prestazioni di dissipazione del calore del sistema.