PCB冷却技術はあなたが学んだ

ICパッケージはに依存しています PCB 熱放散のため。一般に、PCBは高出力半導体デバイスの主な冷却方法です。優れたPCB放熱設計は大きな影響を及ぼし、システムを正常に動作させることができますが、熱事故の隠れた危険を埋めることもできます。 PCBレイアウト、ボード構造、およびデバイスマウントを注意深く取り扱うことで、中電力および高電力アプリケーションの放熱性能を向上させることができます。

半導体メーカーは、自社のデバイスを使用するシステムを制御するのが困難です。ただし、ICがインストールされたシステムは、デバイス全体のパフォーマンスにとって重要です。カスタムICデバイスの場合、システム設計者は通常、メーカーと緊密に連携して、システムが高出力デバイスの多くの熱放散要件を満たしていることを確認します。この初期のコラボレーションにより、お客様の冷却システム内での適切な動作を確保しながら、ICが電気的および性能基準を確実に満たすようになります。多くの大規模な半導体企業はデバイスを標準コンポーネントとして販売しており、メーカーと最終アプリケーションの間には連絡がありません。この場合、ICとシステムの優れたパッシブ放熱ソリューションを実現するために、いくつかの一般的なガイドラインのみを使用できます。

一般的な半導体パッケージタイプは、ベアパッドまたはPowerPADTMパッケージです。これらのパッケージでは、チップはチップパッドと呼ばれる金属板に取り付けられています。この種のチップパッドは、チップ処理の過程でチップをサポートし、デバイスの熱放散のための優れた熱経路でもあります。パッケージ化されたベアパッドがPCBに溶接されると、熱はパッケージからPCBにすばやく排出されます。次に、熱はPCB層を介して周囲の空気に放散されます。ベアパッドパッケージは通常、熱の約80％をパッケージの底からPCBに伝達します。残りの20％の熱は、デバイスのワイヤとパッケージのさまざまな側面から放出されます。熱の1％未満がパッケージの上部から逃げます。これらのベアパッドパッケージの場合、特定のデバイス性能を確保するには、優れたPCBヒートシンク設計が不可欠です。

熱性能を向上させるPCB設計の最初の側面は、PCBデバイスのレイアウトです。可能な限り、PCB上の高出力コンポーネントは互いに分離する必要があります。高出力コンポーネント間のこの物理的な間隔により、各高出力コンポーネントの周囲のPCB領域が最大化され、熱伝達が向上します。 PCB上の高出力コンポーネントから温度に敏感なコンポーネントを分離するように注意する必要があります。可能な限り、高出力コンポーネントはPCBの角から離して配置する必要があります。より中間のPCB位置は、高出力コンポーネントの周囲のボード領域を最大化し、それによって熱の放散を助けます。図2は、コンポーネントAとBのXNUMXつの同一の半導体デバイスを示しています。 PCBの隅にあるコンポーネントAのAチップ接合部温度は、より中央に配置されているコンポーネントBよりも5％高くなっています。コンポーネントAのコーナーでの熱放散は、熱放散に使用されるコンポーネントの周囲の小さなパネル領域によって制限されます。

XNUMX番目の側面はPCBの構造であり、PCB設計の熱性能に最も決定的な影響を及ぼします。原則として、PCBの銅が多いほど、システムコンポーネントの熱性能は高くなります。半導体デバイスの理想的な熱放散状況は、チップが液冷銅の大きなブロックに取り付けられていることです。これはほとんどのアプリケーションでは実用的ではないため、熱放散を改善するためにPCBに他の変更を加える必要がありました。今日のほとんどのアプリケーションでは、システムの総量が減少しており、熱放散性能に悪影響を及ぼしています。 PCBSが大きいほど、熱伝達に使用できる表面積が大きくなりますが、高出力コンポーネント間に十分なスペースを残すための柔軟性も高くなります。

可能な限り、PCB銅層の数と厚さを最大化します。接地銅の重量は一般に大きく、PCB全体の熱放散に優れた熱経路です。層の配線の配置はまた熱伝導に使用される銅の総比重を増加させます。ただし、この配線は通常電気的に絶縁されているため、潜在的なヒートシンクとしての使用が制限されます。デバイスの接地は、熱伝導を最大化するために、できるだけ多くの接地層にできるだけ電気的に配線する必要があります。半導体デバイスの下にあるPCBの放熱穴は、PCBの埋め込み層に熱が入り、ボードの背面に移動するのに役立ちます。

PCBの最上層と最下層は、冷却性能を向上させるための「主要な場所」です。幅の広いワイヤを使用し、高出力デバイスから離れた場所に配線すると、熱放散のための熱経路を提供できます。特殊な熱伝導ボードは、PCBの熱放散のための優れた方法です。熱伝導プレートはPCBの上部または背面に配置され、直接銅接続または熱スルーホールのいずれかを介してデバイスに熱的に接続されます。インラインパッケージの場合（パッケージの両側にリードがある場合のみ）、熱伝導プレートをPCBの上部に配置して、「ドッグボーン」のような形状にすることができます（中央はパッケージと同じくらい狭いです。パッケージから離れた銅は大きな面積を持ち、中央が小さく両端が大きい）。 XNUMX面パッケージ（XNUMX面すべてにリードがある）の場合、熱伝導プレートはPCBの背面またはPCBの内側に配置する必要があります。

熱伝導プレートのサイズを大きくすることは、PowerPADパッケージの熱性能を向上させるための優れた方法です。熱伝導板のサイズが異なると、熱性能に大きな影響を与えます。表形式の製品データシートには、通常、これらの寸法が記載されています。ただし、追加された銅がカスタムPCBSに与える影響を定量化することは困難です。オンライン計算機を使用すると、ユーザーはデバイスを選択し、銅パッドのサイズを変更して、非JEDECPCBの熱性能への影響を見積もることができます。これらの計算ツールは、PCB設計が熱放散性能にどの程度影響するかを強調しています。トップパッドの面積がデバイスのベアパッドの面積よりもわずかに小さいXNUMX面パッケージの場合、埋め込みまたは背面層が、より良い冷却を実現するための最初の方法です。デュアルインラインパッケージの場合、「ドッグボーン」パッドスタイルを使用して熱を放散できます。

最後に、PCBSが大きいシステムも冷却に使用できます。 PCBの取り付けに使用されるネジは、サーマルプレートと接地層に接続されている場合、システムのベースへの効果的な熱アクセスを提供することもできます。熱伝導率とコストを考慮すると、ネジの数は収穫逓減のポイントまで最大化する必要があります。金属PCB補強材は、サーマルプレートに接続された後、より多くの冷却領域を持ちます。 PCBハウジングにシェルがある一部のアプリケーションでは、タイプBはんだパッチ材料は空冷シェルよりも高い熱性能を備えています。ファンやフィンなどの冷却ソリューションもシステムの冷却に一般的に使用されますが、多くの場合、冷却を最適化するためにより多くのスペースが必要になるか、設計の変更が必要になります。

高い熱性能を備えたシステムを設計するには、優れたICデバイスとクローズドソリューションを選択するだけでは不十分です。 ICの冷却性能のスケジューリングは、PCBと、ICデバイスを迅速に冷却できるようにする冷却システムの容量に依存します。上記のパッシブ冷却方式は、システムの熱放散性能を大幅に向上させることができます。