IC packages rely on PCB voor warmteafvoer. 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. Zorgvuldige omgang met de printplaatlay-out, printplaatstructuur en apparaatmontage kan de warmteafvoerprestaties voor middelzware en krachtige toepassingen helpen verbeteren.

Fabrikanten van halfgeleiders hebben moeite met het besturen van systemen die hun apparaten gebruiken. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. Voor aangepaste IC-apparaten werkt de systeemontwerper doorgaans nauw samen met de fabrikant om ervoor te zorgen dat het systeem voldoet aan de vele warmteafvoervereisten van krachtige apparaten. 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. In dit geval kunnen we alleen enkele algemene richtlijnen gebruiken om te helpen een betere passieve warmteafvoeroplossing voor IC en systeem te bereiken.

Hoe warmteafvoer voor PCB’s te ontwerpen?

Het gebruikelijke type halfgeleiderpakket is een kale pad of PowerPADTM-pakket. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Dit soort chippad ondersteunt de chip tijdens het chipverwerkingsproces en is ook een goed thermisch pad voor de warmteafvoer van het apparaat. 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. Kale kussenpakketten brengen doorgaans ongeveer 80% van de warmte over naar de PCB via de onderkant van de verpakking. The remaining 20% of the heat is emitted through the device wires and various sides of the package. Less than 1% of the heat escapes through the top of the package. In het geval van deze bare-pad-pakketten is een goed ontwerp voor warmteafvoer van PCB’s essentieel om bepaalde apparaatprestaties te garanderen.

Het eerste aspect van PCB-ontwerp dat de thermische prestaties verbetert, is de lay-out van het PCB-apparaat. Waar mogelijk moeten de hoogvermogencomponenten op de printplaat van elkaar worden gescheiden. Deze fysieke afstand tussen high-power componenten maximaliseert het PCB-gebied rond elke high-power component, wat bijdraagt ​​aan een betere warmteoverdracht. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Waar mogelijk moeten componenten met een hoog vermogen uit de buurt van de hoeken van de printplaat worden geplaatst. Een meer tussenliggende PCB-positie maximaliseert het bordgebied rond de krachtige componenten, waardoor de warmte wordt afgevoerd. Er worden twee identieke halfgeleiderelementen getoond: componenten A en B. Component A, die zich in de hoek van de printplaat bevindt, heeft een chipjunctietemperatuur die 5% hoger is dan component B, die meer centraal is gepositioneerd. De warmteafvoer op de hoek van component A wordt beperkt door het kleinere paneeloppervlak rond de component die wordt gebruikt voor warmteafvoer.

The second aspect is the structure of PCB, which has the most decisive influence on the thermal performance of PCB design. Als algemene regel geldt dat hoe meer koper de PCB heeft, hoe hoger de thermische prestaties van de systeemcomponenten. De ideale warmteafvoersituatie voor halfgeleiderapparaten is dat de chip is gemonteerd op een groot blok vloeistofgekoeld koper. Dit is niet praktisch voor de meeste toepassingen, dus moesten we andere wijzigingen aanbrengen in de printplaat om de warmteafvoer te verbeteren. 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.

Maximaliseer waar mogelijk het aantal en de dikte van de PCB-koperlagen. Het gewicht van aardend koper is over het algemeen groot, wat een uitstekend thermisch pad is voor de volledige warmteafvoer van de PCB. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Deze bedrading is echter meestal elektrisch geïsoleerd, waardoor het gebruik ervan als potentiële koellichaam wordt beperkt. De aarding van het apparaat moet zo elektrisch mogelijk worden aangesloten op zoveel mogelijk aardingslagen om de warmtegeleiding te maximaliseren. Warmteafvoergaten in de PCB onder het halfgeleiderapparaat helpen de warmte de ingebedde lagen van de PCB binnen te dringen en naar de achterkant van het bord over te brengen.

De bovenste en onderste lagen van een PCB zijn “prime-locaties” voor verbeterde koelprestaties. Het gebruik van bredere draden en het wegleiden van apparaten met een hoog vermogen kan een thermisch pad bieden voor warmteafvoer. Speciale warmtegeleidingsplaat is een uitstekende methode voor de warmteafvoer van PCB’s. De warmtegeleidende plaat bevindt zich aan de boven- of achterkant van de printplaat en is thermisch verbonden met het apparaat via een directe koperen verbinding of een thermisch doorgaand gat. In het geval van inline-verpakkingen (alleen met snoeren aan beide zijden van de verpakking) kan de warmtegeleidingsplaat op de bovenkant van de PCB worden geplaatst in de vorm van een “hondenbot” (het midden is zo smal als de verpakking, de koper weg van de verpakking heeft een groot gebied, klein in het midden en groot aan beide uiteinden). In het geval van een vierzijdig pakket (met kabels aan alle vier zijden), moet de warmtegeleidingsplaat zich aan de achterkant van de printplaat of in de printplaat bevinden.

Het vergroten van de warmtegeleidingsplaat is een uitstekende manier om de thermische prestaties van PowerPAD-pakketten te verbeteren. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Een productgegevensblad in tabelvorm vermeldt deze afmetingen meestal. Maar het kwantificeren van de impact van toegevoegd koper op aangepaste PCB’s is moeilijk. 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. Deze rekenhulpmiddelen benadrukken de mate waarin het PCB-ontwerp de warmteafvoerprestaties beïnvloedt. 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. Voor dubbele in-line pakketten kunnen we de “dog bone” pad-stijl gebruiken om warmte af te voeren.

Ten slotte kunnen systemen met grotere printplaten ook worden gebruikt voor koeling. 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. Rekening houdend met thermische geleidbaarheid en kosten, moet het aantal schroeven worden gemaximaliseerd tot het punt van afnemende meeropbrengst. De metalen PCB-verstijver heeft meer koeloppervlak nadat hij op de thermische plaat is aangesloten. Voor sommige toepassingen waarbij de PCB-behuizing een schaal heeft, heeft het TYPE B-soldeerpatchmateriaal hogere thermische prestaties dan de luchtgekoelde schaal. Koeloplossingen, zoals ventilatoren en vinnen, worden ook vaak gebruikt voor systeemkoeling, maar ze vereisen vaak meer ruimte of vereisen ontwerpaanpassingen om de koeling te optimaliseren.

Om een ​​systeem met hoge thermische prestaties te ontwerpen, volstaat het niet om een ​​goed IC-apparaat en een gesloten oplossing te kiezen. De planning van de IC-koelprestaties is afhankelijk van DE PCB en de capaciteit van het koelsysteem om IC-apparaten snel te laten afkoelen. De hierboven genoemde passieve koelmethode kan de warmteafvoerprestaties van het systeem aanzienlijk verbeteren.