Jak korzystać PCB do rozpraszania ciepła pakietu IC?

Pierwszym aspektem projektowania PCB, który może poprawić wydajność cieplną, jest układ urządzenia PCB. Jeśli to możliwe, elementy o dużej mocy na płytce drukowanej powinny być od siebie odseparowane. Ta fizyczna separacja pomiędzy komponentami o dużej mocy maksymalizuje obszar PCB wokół każdego komponentu o dużej mocy, pomagając w ten sposób osiągnąć lepsze przewodzenie ciepła. Należy zachować ostrożność, aby odizolować elementy wrażliwe na temperaturę na płytce drukowanej od elementów o dużej mocy. Jeśli to możliwe, miejsce instalacji komponentów dużej mocy powinno znajdować się z dala od rogów płytki drukowanej. Bardziej centralna lokalizacja PCB może zmaksymalizować obszar płytki wokół komponentów o dużej mocy, pomagając w ten sposób rozpraszać ciepło. Rysunek 2 przedstawia dwa identyczne urządzenia półprzewodnikowe: składnik A i składnik B. Składnik A znajduje się w rogu płytki drukowanej i ma temperaturę złącza matrycy o 5% wyższą niż składnik B, ponieważ składnik B znajduje się bliżej środka. Ponieważ powierzchnia płyty wokół elementu do rozpraszania ciepła jest mniejsza, rozpraszanie ciepła w rogu elementu A jest ograniczone.

Jak używać PCB do rozpraszania ciepła pakietu IC?

Drugim aspektem jest struktura PCB, która ma najbardziej decydujący wpływ na wydajność cieplną projektu PCB. Ogólna zasada brzmi: im więcej miedzi w płytce drukowanej, tym wyższa wydajność cieplna elementów systemu. Idealną sytuacją rozpraszania ciepła dla urządzeń półprzewodnikowych jest zamontowanie chipa na dużym kawałku miedzi chłodzonej cieczą. W przypadku większości zastosowań ta metoda montażu jest niepraktyczna, więc możemy wprowadzić tylko kilka innych zmian w płytce drukowanej, aby poprawić wydajność rozpraszania ciepła. W przypadku większości dzisiejszych zastosowań całkowita objętość systemu nadal się kurczy, co ma niekorzystny wpływ na wydajność rozpraszania ciepła. Im większa płytka drukowana, tym większy obszar, który można wykorzystać do przewodzenia ciepła, a także ma większą elastyczność, zapewniając wystarczającą przestrzeń między komponentami o dużej mocy.

Jeśli to możliwe, zmaksymalizuj liczbę i grubość miedzianych płaszczyzn uziemienia PCB. Masa miedzi w warstwie uziemiającej jest na ogół stosunkowo duża i jest to doskonała ścieżka termiczna dla całej płytki drukowanej do rozpraszania ciepła. Rozmieszczenie okablowania dla każdej warstwy zwiększy również całkowity udział miedzi użytej do przewodzenia ciepła. Jednak okablowanie to jest zwykle izolowane elektrycznie i termicznie, co ogranicza jego rolę jako potencjalnej warstwy rozpraszającej ciepło. Okablowanie płaszczyzny uziemienia urządzenia powinno być jak najbardziej elektryczne z wieloma płaszczyznami uziemienia, aby zmaksymalizować przewodzenie ciepła. Przelotki rozpraszające ciepło na płytce drukowanej pod urządzeniem półprzewodnikowym pomagają w przedostaniu się ciepła do zakopanych warstw płytki drukowanej i przewodzeniu do tylnej części płytki drukowanej.

Aby poprawić wydajność rozpraszania ciepła, górna i dolna warstwa PCB to „złote miejsca”. Użyj szerszych przewodów i poprowadź je z dala od urządzeń o dużej mocy, aby zapewnić ścieżkę termiczną do rozpraszania ciepła. Dedykowana płytka termiczna to doskonała metoda rozpraszania ciepła na płytce drukowanej. Płytka termiczna znajduje się zwykle na górze lub z tyłu PCB i jest podłączona termicznie do urządzenia za pomocą bezpośrednich połączeń miedzianych lub przelotek termicznych. W przypadku pakietu inline (pakiety z wyprowadzeniami po obu stronach) tego rodzaju płytka przewodząca ciepło może znajdować się na górze płytki PCB i mieć kształt „psiej kości” (środek jest tak samo wąski jak opakowanie, a obszar z dala od opakowania jest stosunkowo mały (duży, mały w środku i duży na końcach). W przypadku pakietu czterostronnego (wyprowadzenia są ze wszystkich czterech stron), płytka przewodząca ciepło musi znajdować się z tyłu PCB lub wejść na PCB.

Jak używać PCB do rozpraszania ciepła pakietu IC?

Zwiększenie rozmiaru płyty termicznej to doskonały sposób na poprawę wydajności termicznej pakietu PowerPAD. Różne rozmiary płyt przewodzących ciepło mają duży wpływ na wydajność cieplną. Karta danych produktu dostarczona w formie tabeli ogólnie zawiera te informacje o rozmiarze. Jednak trudno jest określić ilościowo wpływ dodanej miedzi w niestandardowych płytkach drukowanych. Korzystając z niektórych kalkulatorów online, użytkownicy mogą wybrać urządzenie, a następnie zmienić rozmiar miedzianej podkładki, aby oszacować jego wpływ na wydajność rozpraszania ciepła przez płytki drukowane innych firm niż JEDEC. Te narzędzia obliczeniowe podkreślają wpływ projektu PCB na wydajność cieplną. W przypadku opakowania czterostronnego powierzchnia podkładki górnej jest po prostu mniejsza niż powierzchnia odsłoniętej podkładki urządzenia. W takim przypadku warstwa zakopana lub tylna jest pierwszym sposobem na uzyskanie lepszego chłodzenia. W przypadku pakietów podwójnych w linii możemy użyć podkładki typu „psiej kości”, aby rozproszyć ciepło.

Wreszcie systemy z większymi płytkami PCB mogą być również używane do chłodzenia. W przypadku, gdy śruby są połączone z płytą przewodzącą ciepło i płaszczyzną uziemienia w celu rozpraszania ciepła, niektóre śruby używane do montażu PCB mogą również stać się efektywnymi ścieżkami ciepła do podstawy systemu. Biorąc pod uwagę efekt przewodzenia ciepła i koszt, liczba śrub powinna być maksymalną wartością, która osiąga punkt malejących zwrotów. Po podłączeniu do płyty przewodzącej ciepło, metalowa płyta wzmacniająca PCB ma większy obszar chłodzenia. W przypadku niektórych zastosowań, w których płytka drukowana jest pokryta powłoką, materiał do napraw spawalniczych o kontrolowanym typie ma wyższą wydajność termiczną niż powłoka chłodzona powietrzem. Rozwiązania chłodzące, takie jak wentylatory i radiatory, są również powszechnymi metodami chłodzenia systemu, ale zwykle wymagają więcej miejsca lub wymagają zmodyfikowania projektu, aby zoptymalizować efekt chłodzenia.

Aby zaprojektować system o wyższej wydajności termicznej, nie wystarczy wybrać dobre urządzenie IC i rozwiązanie zamknięte. Wydajność rozpraszania ciepła IC zależy od PCB i zdolności systemu rozpraszania ciepła do szybkiego chłodzenia urządzeń IC. Dzięki zastosowaniu powyższej metody pasywnego chłodzenia można znacznie poprawić wydajność rozpraszania ciepła przez system.