Pachetele IC se bazează pe PCB pentru disiparea căldurii. În general, PCB este principala metodă de răcire pentru dispozitivele semiconductoare de mare putere. Un design bun de disipare a căldurii PCB are un impact mare, poate face ca sistemul să funcționeze bine, dar, de asemenea, poate îngropa pericolul ascuns al accidentelor termice. Manevrarea atentă a aspectului PCB, a structurii plăcii și a montării dispozitivului poate ajuta la îmbunătățirea performanței de disipare a căldurii pentru aplicații de putere medie și mare.

Producătorii de semiconductori au dificultăți în controlul sistemelor care își folosesc dispozitivele. Cu toate acestea, un sistem cu un IC instalat este esențial pentru performanța generală a dispozitivului. Pentru dispozitivele IC personalizate, proiectantul sistemului lucrează de obicei îndeaproape cu producătorul pentru a se asigura că sistemul îndeplinește numeroasele cerințe de disipare a căldurii dispozitivelor de mare putere. Această colaborare timpurie asigură faptul că IC îndeplinește standardele electrice și de performanță, asigurând în același timp o funcționare corectă în sistemul de răcire al clientului. Multe companii mari de semiconductori vând dispozitive ca componente standard și nu există contact între producător și aplicația finală. In this case, we can only use some general guidelines to help achieve a good passive heat dissipation solution for IC and system.

Tipul de pachet semiconductor comun este pachetul gol sau pachetul PowerPAD ™. În aceste pachete, cipul este montat pe o placă metalică numită tampon pentru așchii. Acest tip de tampon pentru cip acceptă cipul în procesul de procesare a cipurilor și este, de asemenea, o bună cale termică pentru disiparea căldurii dispozitivului. Când tamponul gol ambalat este sudat pe PCB, căldura este rapid ieșită din pachet și în PCB. Căldura este apoi disipată prin straturile PCB în aerul înconjurător. Pachetele cu tampoane goale transferă de obicei aproximativ 80% din căldură în PCB prin partea inferioară a pachetului. Restul de 20% din căldură este emisă prin firele dispozitivului și prin diferitele părți ale ambalajului. Mai puțin de 1% din căldură scapă prin partea superioară a ambalajului. În cazul acestor pachete cu tampon gol, un design bun al disipării căldurii PCB este esențial pentru a asigura anumite performanțe ale dispozitivului.

Primul aspect al designului PCB care îmbunătățește performanța termică este aspectul dispozitivului PCB. Ori de câte ori este posibil, componentele de mare putere de pe PCB trebuie separate între ele. Această distanță fizică între componentele de mare putere maximizează aria PCB în jurul fiecărei componente de mare putere, ceea ce ajută la realizarea unui transfer de căldură mai bun. Trebuie avut grijă să separați componentele sensibile la temperatură de componentele de mare putere de pe PCB. Ori de câte ori este posibil, componentele de mare putere ar trebui să fie amplasate departe de colțurile PCB-ului. O poziție mai intermediară a PCB maximizează suprafața plăcii în jurul componentelor de mare putere, contribuind astfel la disiparea căldurii. Figure 2 shows two identical semiconductor devices: components A and B. Componenta A, situată la colțul PCB-ului, are o temperatură de joncțiune A cu 5% mai mare decât componenta B, care este poziționată mai central. Disiparea căldurii la colțul componentei A este limitată de zona mai mică a panoului din jurul componentei utilizate pentru disiparea căldurii.

Al doilea aspect este structura PCB, care are cea mai decisivă influență asupra performanțelor termice ale proiectării PCB-urilor. De regulă, cu cât PCB-ul are mai mult cupru, cu atât performanța termică a componentelor sistemului este mai mare. Situația ideală de disipare a căldurii pentru dispozitivele semiconductoare este aceea că cipul este montat pe un bloc mare de cupru răcit cu lichid. Acest lucru nu este practic pentru majoritatea aplicațiilor, așa că a trebuit să facem alte modificări la PCB pentru a îmbunătăți disiparea căldurii. Pentru majoritatea aplicațiilor de astăzi, volumul total al sistemului scade, afectând negativ performanța disipării căldurii. PCBS mai mari au o suprafață mai mare care poate fi utilizată pentru transferul de căldură, dar au și mai multă flexibilitate pentru a lăsa suficient spațiu între componentele de mare putere.

Ori de câte ori este posibil, maximizați numărul și grosimea straturilor de cupru PCB. Greutatea cuprului de împământare este în general mare, ceea ce reprezintă o cale termică excelentă pentru întreaga disipare a căldurii PCB. Dispunerea cablajului straturilor crește, de asemenea, greutatea specifică totală a cuprului utilizat pentru conducerea căldurii. Cu toate acestea, acest cablaj este de obicei izolat electric, limitând utilizarea acestuia ca potențial radiator. Împământarea dispozitivului trebuie să fie conectată cât mai electric posibil la cât mai multe straturi de împământare posibil pentru a ajuta la maximizarea conducerii căldurii. Găurile de disipare a căldurii din PCB sub dispozitivul semiconductor ajută căldura să intre în straturile încorporate ale PCB și să se transfere în partea din spate a plăcii.

Straturile superioare și inferioare ale unui PCB sunt „locații principale” pentru performanțe de răcire îmbunătățite. Utilizarea firelor mai largi și dirijarea departe de dispozitivele de mare putere pot oferi o cale termică pentru disiparea căldurii. Placa specială de conducere a căldurii este o metodă excelentă pentru disiparea căldurii PCB. Placa conductoare termice este situată în partea superioară sau posterioară a PCB-ului și este conectată termic la dispozitiv fie printr-o conexiune directă din cupru, fie printr-o gaură de trecere termică. În cazul ambalajelor în linie (numai cu cabluri pe ambele părți ale ambalajului), placa de conducere a căldurii poate fi amplasată în partea superioară a PCB-ului, având forma unui „os de câine” (mijlocul este la fel de îngust ca ambalajul, cuprul departe de pachet are o suprafață mare, mică la mijloc și mare la ambele capete). În cazul ambalajului cu patru fețe (cu cabluri pe toate cele patru fețe), placa de conducere a căldurii trebuie să fie amplasată pe spatele PCB sau în interiorul PCB.

Creșterea dimensiunii plăcii de conducere a căldurii este o modalitate excelentă de a îmbunătăți performanța termică a pachetelor PowerPAD. Dimensiunea diferită a plăcii de conducere a căldurii are o influență mare asupra performanței termice. A tabular product data sheet typically lists these dimensions. Dar cuantificarea impactului adaosului de cupru asupra PCBS personalizate este dificilă. Cu ajutorul calculatoarelor online, utilizatorii pot selecta un dispozitiv și pot modifica dimensiunea plăcii de cupru pentru a estima efectul acestuia asupra performanței termice a unui PCB non-JEDEC. Aceste instrumente de calcul evidențiază măsura în care designul PCB influențează performanța de disipare a căldurii. Pentru pachetele cu patru laturi, unde zona tamponului superior este cu puțin mai mică decât zona tamponului gol al dispozitivului, încastrarea sau stratul posterior este prima metodă pentru a obține o răcire mai bună. Pentru pachetele duale în linie, putem utiliza stilul de tampon „os de câine” pentru a disipa căldura.

În cele din urmă, sistemele cu PCBS mai mari pot fi de asemenea utilizate pentru răcire. Șuruburile utilizate pentru montarea PCB pot oferi, de asemenea, un acces termic eficient la baza sistemului atunci când sunt conectate la placa termică și la stratul de masă. Având în vedere conductivitatea termică și costul, numărul șuruburilor ar trebui să fie maximizat până la reducerea randamentelor. Rigidorul metalic PCB are mai multă zonă de răcire după ce a fost conectat la placa termică. Pentru unele aplicații în care carcasa PCB are o carcasă, materialul de lipit TIPUL B are o performanță termică mai mare decât carcasa răcită cu aer. Soluțiile de răcire, cum ar fi ventilatoarele și aripioarele, sunt de asemenea utilizate în mod obișnuit pentru răcirea sistemului, dar deseori necesită mai mult spațiu sau necesită modificări de proiectare pentru a optimiza răcirea.

Pentru a proiecta un sistem cu performanțe termice ridicate, nu este suficient să alegeți un dispozitiv IC bun și o soluție închisă. Programarea performanței de răcire IC depinde de PCB și de capacitatea sistemului de răcire pentru a permite dispozitivelor IC să se răcească rapid. Metoda de răcire pasivă menționată mai sus poate îmbunătăți foarte mult performanța de disipare a căldurii a sistemului.