IC packages rely on печатная плата для отвода тепла. 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. Тщательное обращение с компоновкой печатной платы, структурой платы и креплением устройства может помочь улучшить характеристики рассеивания тепла для приложений средней и высокой мощности.

Производители полупроводников испытывают трудности с управлением системами, в которых используются их устройства. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. Для специализированных ИС-устройств разработчик системы обычно работает в тесном контакте с производителем, чтобы гарантировать, что система соответствует многим требованиям к рассеиванию тепла мощных устройств. 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. В этом случае мы можем использовать только некоторые общие рекомендации, чтобы помочь достичь лучшего решения для пассивного рассеивания тепла для ИС и системы.

Как спроектировать отвод тепла для печатной платы

Обычный тип корпуса полупроводников – неизолированная площадка или корпус PowerPADTM. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Этот вид площадки для микросхемы поддерживает микросхему в процессе обработки микросхемы, а также является хорошим тепловым трактом для отвода тепла устройством. 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. Пакеты с неизолированными контактными площадками обычно передают около 80% тепла печатной плате через нижнюю часть корпуса. 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. В случае этих корпусов без контактных площадок для обеспечения определенной производительности устройства важна хорошая конструкция отвода тепла от печатной платы.

Первый аспект конструкции печатной платы, улучшающий тепловые характеристики, – это компоновка устройства печатной платы. По возможности, высокомощные компоненты на печатной плате должны быть отделены друг от друга. Такое физическое расстояние между высокомощными компонентами максимизирует площадь печатной платы вокруг каждого высокомощного компонента, что помогает достичь лучшей теплопередачи. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. По возможности высокомощные компоненты следует располагать подальше от углов печатной платы. Более промежуточное положение печатной платы увеличивает площадь платы вокруг высокомощных компонентов, тем самым помогая рассеивать тепло. Показаны два идентичных полупроводниковых прибора: компоненты A и B. Компонент A, расположенный в углу печатной платы, имеет температуру перехода микросхемы A на 5% выше, чем компонент B, который расположен по центру. Отвод тепла в углу компонента A ограничен меньшей площадью панели вокруг компонента, используемого для отвода тепла.

The second aspect is the structure of PCB, which has the most decisive influence on the thermal performance of PCB design. Как правило, чем больше меди в печатной плате, тем выше тепловые характеристики компонентов системы. Идеальная ситуация для рассеивания тепла для полупроводниковых устройств заключается в том, что микросхема устанавливается на большом блоке из меди с жидкостным охлаждением. Это непрактично для большинства приложений, поэтому нам пришлось внести другие изменения в печатную плату, чтобы улучшить отвод тепла. 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.

По возможности увеличивайте количество и толщину медных слоев печатной платы. Вес заземляющей меди обычно велик, что является отличным тепловым трактом для отвода тепла всей печатной платы. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Однако эта проводка обычно электрически изолирована, что ограничивает ее использование в качестве потенциального радиатора. Заземление устройства должно быть подключено как можно более электрически к как можно большему количеству слоев заземления, чтобы обеспечить максимальную теплопроводность. Отверстия для отвода тепла в печатной плате под полупроводниковым устройством помогают теплу проникать во встроенные слои печатной платы и переноситься на заднюю часть платы.

Верхний и нижний слои печатной платы являются «основными местами» для улучшения характеристик охлаждения. Использование более широких проводов и прокладка вдали от мощных устройств может обеспечить тепловой путь для отвода тепла. Специальная теплопроводящая панель – отличный способ отвода тепла печатной платы. Теплопроводящая пластина расположена на верхней или задней части печатной платы и термически связана с устройством либо через прямое медное соединение, либо через тепловое сквозное отверстие. В случае встроенной упаковки (только с выводами на обеих сторонах упаковки) пластина теплопроводности может быть расположена наверху печатной платы в форме «собачьей кости» (середина такая же узкая, как и упаковка, медь вдали от упаковки имеет большую площадь, небольшую посередине и большую на обоих концах). В случае четырехстороннего корпуса (с выводами на всех четырех сторонах) пластина теплопроводности должна быть расположена на задней стороне печатной платы или внутри печатной платы.

Увеличение размера теплопроводящей пластины – отличный способ улучшить тепловые характеристики корпусов PowerPAD. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Эти параметры обычно перечислены в табличном техническом описании продукта. Но количественно оценить влияние добавленной меди на заказные печатные платы сложно. 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. Эти инструменты расчета подчеркивают степень влияния конструкции печатной платы на теплоотвод. 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. Для двухрядных корпусов мы можем использовать подушечки типа «собачья кость» для отвода тепла.

Наконец, для охлаждения также можно использовать системы с более крупными печатными платами. 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. Принимая во внимание теплопроводность и стоимость, количество винтов должно быть максимальным до точки уменьшения отдачи. Металлический элемент жесткости печатной платы имеет большую площадь охлаждения после соединения с тепловой пластиной. Для некоторых приложений, где корпус печатной платы имеет оболочку, материал припоя ТИПА B имеет более высокие тепловые характеристики, чем оболочка с воздушным охлаждением. Решения для охлаждения, такие как вентиляторы и ребра, также обычно используются для охлаждения системы, но они часто требуют больше места или требуют модификации конструкции для оптимизации охлаждения.

Чтобы спроектировать систему с высокими тепловыми характеристиками, недостаточно выбрать хорошее ИС-устройство и закрытое решение. Планирование производительности охлаждения ИС зависит от ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ и мощности системы охлаждения, что позволяет устройствам ИС быстро охлаждаться. Упомянутый выше метод пассивного охлаждения может значительно улучшить характеристики рассеивания тепла системой.