Technologia chłodzenia PCB, czego się nauczyłeś?

Pakiety IC polegają na PCB do rozpraszania ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, PCB jest główną metodą chłodzenia urządzeń półprzewodnikowych dużej mocy. Dobry projekt rozpraszania ciepła na płytce drukowanej ma ogromny wpływ, może sprawić, że system będzie działał dobrze, ale także może ukryć ukryte niebezpieczeństwo awarii termicznych. Ostrożne obchodzenie się z układem PCB, strukturą płytki i mocowaniem urządzenia może pomóc poprawić wydajność rozpraszania ciepła w zastosowaniach o średniej i dużej mocy.

ipcb

Producenci półprzewodników mają trudności z kontrolowaniem systemów wykorzystujących ich urządzenia. Jednak system z zainstalowanym układem scalonym ma krytyczne znaczenie dla ogólnej wydajności urządzenia. W przypadku niestandardowych urządzeń IC projektant systemu zazwyczaj ściśle współpracuje z producentem, aby upewnić się, że system spełnia wiele wymagań dotyczących rozpraszania ciepła urządzeń o dużej mocy. Ta wczesna współpraca gwarantuje, że układ scalony spełnia standardy elektryczne i wydajnościowe, zapewniając jednocześnie prawidłowe działanie w systemie chłodzenia klienta. Wiele dużych firm półprzewodnikowych sprzedaje urządzenia jako standardowe komponenty i nie ma kontaktu między producentem a aplikacją końcową. W takim przypadku możemy skorzystać tylko z ogólnych wskazówek, aby uzyskać dobre rozwiązanie pasywnego rozpraszania ciepła dla układu scalonego i systemu.

Popularnym typem pakietu półprzewodnikowego jest goła podkładka lub pakiet PowerPADTM. W tych pakietach chip jest montowany na metalowej płytce zwanej podkładką chipową. Ten rodzaj podkładki pod chip wspiera chip w procesie obróbki wiórów, a także jest dobrą ścieżką termiczną do rozpraszania ciepła urządzenia. Gdy zapakowana goła podkładka jest przyspawana do płytki drukowanej, ciepło jest szybko odprowadzane z opakowania do płytki drukowanej. Ciepło jest następnie rozpraszane przez warstwy PCB do otaczającego powietrza. Pakiety z gołymi podkładkami zazwyczaj przenoszą około 80% ciepła na płytkę drukowaną przez spód opakowania. Pozostałe 20% ciepła jest emitowane przez przewody urządzenia i różne strony opakowania. Mniej niż 1% ciepła ucieka przez górę opakowania. W przypadku tych pakietów z gołą podkładką, dobry projekt rozpraszania ciepła na płytce drukowanej jest niezbędny, aby zapewnić określoną wydajność urządzenia.

Pierwszym aspektem projektowania PCB, który poprawia wydajność cieplną, jest układ urządzenia PCB. Jeśli to możliwe, elementy o dużej mocy na płytce drukowanej powinny być od siebie odseparowane. Ten fizyczny odstęp między komponentami o dużej mocy maksymalizuje obszar PCB wokół każdego komponentu o dużej mocy, co pomaga osiągnąć lepszy transfer ciepła. Należy zadbać o oddzielenie elementów wrażliwych na temperaturę od elementów o dużej mocy na płytce drukowanej. Tam, gdzie to możliwe, komponenty o dużej mocy powinny znajdować się z dala od rogów płytki drukowanej. Bardziej pośrednia pozycja płytki PCB maksymalizuje obszar płytki wokół komponentów o dużej mocy, pomagając w ten sposób rozpraszać ciepło. Rysunek 2 przedstawia dwa identyczne urządzenia półprzewodnikowe: komponenty A i B. Składnik A, znajdujący się w rogu płytki drukowanej, ma temperaturę złącza chipa A o 5% wyższą niż składnik B, który jest umieszczony bardziej centralnie. Rozpraszanie ciepła w rogu komponentu A jest ograniczone przez mniejszy obszar panelu wokół komponentu używanego do rozpraszania ciepła.

Drugim aspektem jest struktura PCB, która ma najbardziej decydujący wpływ na wydajność cieplną konstrukcji PCB. Zgodnie z ogólną zasadą, im więcej miedzi ma płytka drukowana, tym wyższa wydajność cieplna elementów systemu. Idealną sytuacją rozpraszania ciepła dla urządzeń półprzewodnikowych jest zamontowanie chipa na dużym bloku miedzi chłodzonej cieczą. Nie jest to praktyczne w przypadku większości zastosowań, więc musieliśmy wprowadzić inne zmiany w płytce drukowanej, aby poprawić rozpraszanie ciepła. W przypadku większości dzisiejszych zastosowań całkowita objętość systemu kurczy się, co niekorzystnie wpływa na wydajność rozpraszania ciepła. Większe PCB mają większą powierzchnię, którą można wykorzystać do przenoszenia ciepła, ale mają również większą elastyczność, aby pozostawić wystarczającą przestrzeń między komponentami o dużej mocy.

Jeśli to możliwe, zmaksymalizuj liczbę i grubość warstw miedzi na PCB. Masa miedzi uziemiającej jest generalnie duża, co jest doskonałą ścieżką termiczną dla całego rozpraszania ciepła na płytce drukowanej. Ułożenie okablowania warstw zwiększa również całkowity ciężar właściwy miedzi użytej do przewodzenia ciepła. Jednak okablowanie to jest zwykle izolowane elektrycznie, co ogranicza jego wykorzystanie jako potencjalnego radiatora. Uziemienie urządzenia powinno być podłączone do jak największej liczby warstw uziemiających tak elektrycznie, jak to możliwe, aby zmaksymalizować przewodzenie ciepła. Otwory rozpraszające ciepło w płytce drukowanej poniżej urządzenia półprzewodnikowego pomagają przedostać się ciepła do osadzonych warstw płytki drukowanej i przenieść się na tył płyty.

Górna i dolna warstwa PCB są „najlepszymi lokalizacjami” dla lepszej wydajności chłodzenia. Używanie szerszych przewodów i prowadzenie z dala od urządzeń o dużej mocy może zapewnić ścieżkę termiczną do rozpraszania ciepła. Specjalna płytka przewodząca ciepło to doskonała metoda rozpraszania ciepła na płytce drukowanej. Płytka przewodząca ciepło znajduje się na górze lub z tyłu PCB i jest połączona termicznie z urządzeniem za pomocą bezpośredniego połączenia miedzianego lub termicznego otworu przelotowego. W przypadku pakowania inline (tylko z wyprowadzeniami po obu stronach opakowania) płytka przewodząca ciepło może znajdować się na górze płytki PCB w kształcie „psiej kości” (środek jest tak wąski jak opakowanie, miedź z dala od opakowania ma dużą powierzchnię, małą w środku i dużą na obu końcach). W przypadku pakietu czterostronnego (z wyprowadzeniami ze wszystkich czterech stron) płytka przewodząca ciepło musi znajdować się z tyłu płytki drukowanej lub wewnątrz płytki drukowanej.

Zwiększenie rozmiaru płyty przewodzącej ciepło to doskonały sposób na poprawę wydajności cieplnej pakietów PowerPAD. Różny rozmiar płyty przewodzącej ciepło ma duży wpływ na wydajność cieplną. Tabela danych produktu zazwyczaj zawiera te wymiary. Jednak ilościowe określenie wpływu dodanej miedzi na niestandardowe PCB jest trudne. Dzięki kalkulatorom online użytkownicy mogą wybrać urządzenie i zmienić rozmiar miedzianej podkładki, aby oszacować jej wpływ na wydajność cieplną płytki drukowanej innej firmy niż JEDEC. Te narzędzia obliczeniowe podkreślają, w jakim stopniu projekt PCB wpływa na wydajność rozpraszania ciepła. W przypadku opakowań czterostronnych, w których powierzchnia górnej podkładki jest tylko mniejsza niż powierzchnia odsłoniętej podkładki urządzenia, pierwszą metodą uzyskania lepszego chłodzenia jest osadzenie lub warstwa tylna. W przypadku pakietów podwójnych w linii możemy użyć podkładki typu „psa kość”, aby rozproszyć ciepło.

Wreszcie, systemy z większymi płytkami PCB mogą być również używane do chłodzenia. Śruby użyte do montażu PCB mogą również zapewnić skuteczny dostęp termiczny do podstawy systemu po podłączeniu do płyty termicznej i warstwy uziemiającej. Biorąc pod uwagę przewodność cieplną i koszt, liczbę śrub należy zmaksymalizować do punktu zmniejszania się zwrotów. Metalowy usztywniacz PCB ma większą powierzchnię chłodzenia po podłączeniu do płyty termicznej. W przypadku niektórych zastosowań, w których obudowa PCB ma powłokę, materiał lutowniczy TYPU B ma wyższą wydajność cieplną niż powłoka chłodzona powietrzem. Rozwiązania chłodzące, takie jak wentylatory i lamele, są również powszechnie stosowane do chłodzenia systemu, ale często wymagają więcej miejsca lub wymagają modyfikacji projektu w celu optymalizacji chłodzenia.

Aby zaprojektować system o wysokiej wydajności termicznej, nie wystarczy wybrać dobre urządzenie IC i rozwiązanie zamknięte. Harmonogram wydajności chłodzenia IC zależy od PCB i wydajności systemu chłodzenia, aby umożliwić szybkie chłodzenie urządzeń IC. Wspomniana powyżej metoda pasywnego chłodzenia może znacznie poprawić wydajność rozpraszania ciepła przez system.