Os pacotes IC dependem de PCB para dissipação de calor. Em geral, o PCB é o principal método de resfriamento para dispositivos semicondutores de alta potência. Um bom design de dissipação de calor de PCB tem um grande impacto, pode fazer o sistema funcionar bem, mas também pode enterrar o perigo oculto de acidentes térmicos. O manuseio cuidadoso do layout da PCB, da estrutura da placa e da montagem do dispositivo pode ajudar a melhorar o desempenho de dissipação de calor para aplicações de média e alta potência.

Os fabricantes de semicondutores têm dificuldade em controlar os sistemas que usam seus dispositivos. No entanto, um sistema com um IC instalado é fundamental para o desempenho geral do dispositivo. Para dispositivos IC personalizados, o projetista do sistema normalmente trabalha em conjunto com o fabricante para garantir que o sistema atenda aos diversos requisitos de dissipação de calor dos dispositivos de alta potência. Essa colaboração inicial garante que o IC atenda aos padrões elétricos e de desempenho, ao mesmo tempo que garante a operação adequada no sistema de resfriamento do cliente. Muitas grandes empresas de semicondutores vendem dispositivos como componentes padrão e não há contato entre o fabricante e o aplicativo final. Nesse caso, podemos usar apenas algumas diretrizes gerais para ajudar a obter uma boa solução de dissipação de calor passiva para IC e sistema.

O tipo de pacote de semicondutor comum é bloco simples ou pacote PowerPADTM. Nesses pacotes, o chip é montado em uma placa de metal chamada almofada de chip. Este tipo de chip pad apoia o chip no processo de processamento do chip e também é um bom caminho térmico para dissipação de calor do dispositivo. Quando a almofada desencapada embalada é soldada ao PCB, o calor é rapidamente expelido do pacote e para o PCB. O calor é então dissipado através das camadas de PCB para o ar circundante. Os pacotes básicos normalmente transferem cerca de 80% do calor para o PCB através da parte inferior do pacote. Os 20% restantes do calor são emitidos através dos fios do dispositivo e vários lados da embalagem. Menos de 1% do calor escapa pela parte superior da embalagem. No caso desses pacotes de base nua, um bom design de dissipação de calor de PCB é essencial para garantir o desempenho de determinado dispositivo.

O primeiro aspecto do design de PCB que melhora o desempenho térmico é o layout do dispositivo de PCB. Sempre que possível, os componentes de alta potência no PCB devem ser separados uns dos outros. Esse espaçamento físico entre os componentes de alta potência maximiza a área do PCB em torno de cada componente de alta potência, o que ajuda a obter uma melhor transferência de calor. Deve-se tomar cuidado para separar os componentes sensíveis à temperatura dos componentes de alta potência no PCB. Sempre que possível, os componentes de alta potência devem ser localizados longe dos cantos do PCB. Uma posição de PCB mais intermediária maximiza a área da placa ao redor dos componentes de alta potência, ajudando assim a dissipar o calor. A Figura 2 mostra dois dispositivos semicondutores idênticos: componentes A e B. O componente A, localizado no canto da placa de circuito impresso, tem uma temperatura de junção do chip A 5% maior do que o componente B, que está posicionado mais centralmente. A dissipação de calor no canto do componente A é limitada pela área menor do painel ao redor do componente usado para dissipação de calor.

O segundo aspecto é a estrutura do PCB, que tem a influência mais decisiva no desempenho térmico do design do PCB. Como regra geral, quanto mais cobre o PCB tiver, maior será o desempenho térmico dos componentes do sistema. A situação ideal de dissipação de calor para dispositivos semicondutores é que o chip seja montado em um grande bloco de cobre resfriado por líquido. Isso não é prático para a maioria das aplicações, então tivemos que fazer outras alterações no PCB para melhorar a dissipação de calor. Para a maioria das aplicações atuais, o volume total do sistema está diminuindo, afetando adversamente o desempenho de dissipação de calor. PCBS maiores têm mais área de superfície que pode ser usada para transferência de calor, mas também têm mais flexibilidade para deixar espaço suficiente entre os componentes de alta potência.

Sempre que possível, maximize o número e a espessura das camadas de cobre do PCB. O peso do cobre de aterramento é geralmente grande, o que é um excelente caminho térmico para toda a dissipação de calor do PCB. O arranjo da fiação das camadas também aumenta a gravidade específica total do cobre usado para a condução de calor. No entanto, esta fiação é geralmente isolada eletricamente, limitando seu uso como um dissipador de calor potencial. O aterramento do dispositivo deve ser conectado o mais eletricamente possível ao maior número possível de camadas de aterramento para ajudar a maximizar a condução de calor. Orifícios de dissipação de calor no PCB abaixo do dispositivo semicondutor ajudam o calor a entrar nas camadas embutidas do PCB e transferir para a parte traseira da placa.

As camadas superior e inferior de um PCB são os “locais principais” para um desempenho de resfriamento aprimorado. Usar fios mais largos e direcionar longe de dispositivos de alta potência pode fornecer um caminho térmico para dissipação de calor. Placa de condução de calor especial é um método excelente para dissipação de calor de PCB. A placa condutora térmica está localizada na parte superior ou traseira do PCB e é termicamente conectada ao dispositivo por meio de uma conexão direta de cobre ou através de um orifício térmico. No caso de embalagem em linha (apenas com guias em ambos os lados da embalagem), a placa de condução de calor pode ser localizada na parte superior do PCB, em forma de “osso de cachorro” (o meio é tão estreito quanto a embalagem, o o cobre fora da embalagem tem uma área grande, pequena no meio e grande nas duas extremidades). No caso do pacote de quatro lados (com fios nos quatro lados), a placa de condução de calor deve estar localizada na parte traseira do PCB ou dentro do PCB.

Aumentar o tamanho da placa de condução de calor é uma excelente maneira de melhorar o desempenho térmico dos pacotes PowerPAD. O tamanho diferente da placa de condução de calor tem grande influência no desempenho térmico. Uma planilha de dados tabular do produto normalmente lista essas dimensões. Mas quantificar o impacto do cobre adicionado em PCBS customizados é difícil. Com calculadoras online, os usuários podem selecionar um dispositivo e alterar o tamanho da almofada de cobre para estimar seu efeito no desempenho térmico de um PCB não JEDEC. Essas ferramentas de cálculo destacam até que ponto o design da PCB influencia o desempenho de dissipação de calor. Para pacotes de quatro lados, onde a área da almofada superior é um pouco menor do que a área da almofada nua do dispositivo, a incorporação ou a camada posterior é o primeiro método para obter um melhor resfriamento. Para pacotes duplos em linha, podemos usar o estilo de almofada “osso de cachorro” para dissipar o calor.

Finalmente, sistemas com PCBS maiores também podem ser usados ​​para resfriamento. Os parafusos usados ​​para montar o PCB também podem fornecer acesso térmico efetivo à base do sistema quando conectado à placa térmica e camada de aterramento. Considerando a condutividade térmica e o custo, o número de parafusos deve ser maximizado a ponto de diminuir o retorno. O reforço de PCB de metal tem mais área de resfriamento após ser conectado à placa térmica. Para algumas aplicações em que o invólucro da PCB tem um invólucro, o material de remendo de solda TIPO B tem um desempenho térmico superior do que o invólucro resfriado a ar. Soluções de resfriamento, como ventiladores e aletas, também são comumente usadas para resfriamento do sistema, mas geralmente requerem mais espaço ou requerem modificações de projeto para otimizar o resfriamento.

Para projetar um sistema com alto desempenho térmico, não basta escolher um bom dispositivo IC e solução fechada. A programação do desempenho do resfriamento IC depende da placa de circuito impresso e da capacidade do sistema de resfriamento para permitir que os dispositivos IC esfriem rapidamente. O método de resfriamento passivo mencionado acima pode melhorar muito o desempenho de dissipação de calor do sistema.