Пакеты IC полагаются на печатная плата для отвода тепла. В общем, печатная плата является основным методом охлаждения для полупроводниковых устройств большой мощности. Хорошая конструкция отвода тепла на печатной плате имеет большое значение, она может обеспечить хорошую работу системы, но также может скрыть скрытую опасность тепловых аварий. 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. Однако система с установленной ИС критична для общей производительности устройства. 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. Такое раннее сотрудничество гарантирует, что ИС соответствует электрическим стандартам и стандартам производительности, обеспечивая при этом надлежащую работу в системе охлаждения заказчика. Многие крупные полупроводниковые компании продают устройства как стандартные компоненты, и между производителем и конечным приложением нет контакта. В этом случае мы можем использовать только некоторые общие рекомендации, чтобы помочь достичь хорошего решения для пассивного рассеивания тепла для ИС и системы.

Обычный тип корпуса полупроводников – неизолированная площадка или корпус PowerPADTM. В этих корпусах чип устанавливается на металлическую пластину, называемую площадкой для чипа. Этот вид площадки для микросхемы поддерживает микросхему в процессе обработки микросхемы, а также является хорошим тепловым трактом для отвода тепла устройством. Когда упакованная неизолированная площадка приваривается к печатной плате, тепло быстро выходит из упаковки и попадает в печатную плату. Затем тепло рассеивается через слои печатной платы в окружающий воздух. Пакеты с неизолированными контактными площадками обычно передают около 80% тепла печатной плате через нижнюю часть корпуса. Остальные 20% тепла излучаются через провода устройства и различные стороны корпуса. Через верх упаковки уходит менее 1% тепла. 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. Следует соблюдать осторожность, чтобы отделить чувствительные к температуре компоненты от компонентов высокой мощности на печатной плате. 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. На рисунке 2 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.

Второй аспект – это структура печатной платы, которая имеет самое решающее влияние на тепловые характеристики конструкции печатной платы. 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. Для большинства современных приложений общий объем системы сокращается, что отрицательно сказывается на характеристиках рассеивания тепла. Печатные платы большего размера имеют большую площадь поверхности, которую можно использовать для передачи тепла, но также обладают большей гибкостью, чтобы оставлять достаточно места между высокомощными компонентами.

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. Расположение слоев также увеличивает общий удельный вес меди, используемой для теплопроводности. 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. Различный размер теплопроводящей пластины имеет большое влияние на тепловые характеристики. Эти параметры обычно перечислены в табличном техническом описании продукта. Но количественно оценить влияние добавленной меди на заказные печатные платы сложно. С помощью онлайн-калькуляторов пользователи могут выбрать устройство и изменить размер медной контактной площадки, чтобы оценить ее влияние на тепловые характеристики печатной платы, отличной от JEDEC. Эти инструменты расчета подчеркивают степень влияния конструкции печатной платы на теплоотвод. Для четырехсторонних корпусов, где площадь верхней площадки чуть меньше площади неизолированной площадки устройства, заделка или задний слой является первым методом достижения лучшего охлаждения. 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. Винты, используемые для крепления печатной платы, также могут обеспечить эффективный тепловой доступ к основанию системы при подключении к тепловой пластине и слою заземления. 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.