Balíky IC sa spoliehajú PCB na odvod tepla. 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. Starostlivé zaobchádzanie s rozložením DPS, štruktúrou dosky a držiakom zariadenia môže pomôcť zlepšiť výkon rozptylu tepla pre stredne a vysoko výkonné aplikácie.

Výrobcovia polovodičov majú problémy s ovládaním systémov, ktoré používajú ich zariadenia. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. V prípade vlastných zariadení IC návrhár systému zvyčajne úzko spolupracuje s výrobcom, aby zaistil, že systém spĺňa mnohé požiadavky na odvod tepla zariadení s vysokým výkonom. Táto raná spolupráca zaisťuje, že IC spĺňa elektrické a výkonové štandardy, a zároveň zaisťuje správnu prevádzku v chladiacom systéme zákazníka. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. V tomto prípade môžeme použiť iba niektoré všeobecné pokyny, ktoré pomôžu dosiahnuť lepšie riešenie pasívneho odvádzania tepla pre integrované obvody a systém.

Ako navrhnúť odvod tepla pre DPS

Bežným typom polovodičového obalu je holý pad alebo balíček PowerPADTM. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Tento druh čipovej podložky podporuje čip v procese spracovania čipu a je tiež dobrou tepelnou cestou pre odvod tepla zariadenia. 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. Balíky holých podložiek obvykle prenášajú asi 80% tepla do DPS cez spodok obalu. Zostávajúcich 20% tepla je emitovaných drôtmi zariadenia a rôznymi stranami obalu. Hornou časťou obalu uniká menej ako 1% tepla. V prípade týchto balíkov s holými podložkami je na zaistenie určitého výkonu zariadenia zásadný dobrý návrh rozptylu tepla do DPS.

Prvým aspektom návrhu DPS, ktorý zlepšuje tepelný výkon, je rozloženie zariadenia DPS. Kedykoľvek je to možné, vysokovýkonné komponenty na doske plošných spojov by mali byť navzájom oddelené. Tento fyzický rozstup medzi vysokovýkonnými komponentmi maximalizuje plochu DPS okolo každého vysokovýkonného komponentu, čo pomáha dosiahnuť lepší prenos tepla. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Kedykoľvek je to možné, vysokovýkonné súčiastky by mali byť umiestnené mimo rohov dosky plošných spojov. Strednejšia poloha PCB maximalizuje plochu dosky okolo vysokovýkonných komponentov, čím pomáha odvádzať teplo. Sú zobrazené dve identické polovodičové zariadenia: komponenty A a B. Zložka A, umiestnená v rohu dosky plošných spojov, má teplotu spojenia čipu A o 5% vyššiu ako zložka B, ktorá je umiestnená centrálnejšie. Odvod tepla v rohu súčiastky A je obmedzený menšou plochou panelu okolo súčiastky použitej na rozptyl tepla.

Druhým aspektom je štruktúra PCB, ktorá má rozhodujúci vplyv na tepelný výkon konštrukcie PCB. Spravidla platí, že čím viac medi má DPS, tým vyšší je tepelný výkon súčastí systému. Ideálna situácia pre odvod tepla pre polovodičové zariadenia je, že je čip namontovaný na veľkom bloku kvapalinou chladenej medi. To nie je praktické pre väčšinu aplikácií, takže sme museli urobiť ďalšie zmeny na doske plošných spojov, aby sa zlepšil odvod tepla. 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.

Kedykoľvek je to možné, maximalizujte počet a hrúbku medených vrstiev PCB. Hmotnosť uzemňovacej medi je spravidla veľká, čo je vynikajúca tepelná cesta pre celý odvod tepla PCB. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Toto vedenie je však spravidla elektricky izolované, čo obmedzuje jeho použitie ako potenciálneho chladiča. Uzemnenie zariadenia by malo byť zapojené čo najviac elektricky do čo najväčšieho počtu uzemňovacích vrstiev, aby sa pomohlo maximalizovať vedenie tepla. Otvory na odvod tepla v DPS pod polovodičovým zariadením pomáhajú teplu vstupovať do vložených vrstiev DPS a prenášať ich na zadnú stranu dosky.

Horná a spodná vrstva PCB sú „hlavnými miestami“ pre lepší chladiaci výkon. Použitie širších vodičov a smerovanie mimo zariadení s vysokým výkonom môže poskytnúť tepelnú cestu pre odvod tepla. Špeciálna doska na vedenie tepla je vynikajúcou metódou na odvod tepla z DPS. Tepelne vodivá doska je umiestnená na vrchnej alebo zadnej strane dosky plošných spojov a je so zariadením tepelne spojená buď priamym medeným pripojením alebo tepelným priechodným otvorom. V prípade inline balenia (iba s vývodmi na oboch stranách obalu) môže byť doska na vedenie tepla umiestnená na vrchu DPS v tvare „psej kosti“ (stred je úzky ako obal, meď vzdialená od obalu má veľkú plochu, malú v strede a veľkú na oboch koncoch). V prípade štvorstranného obalu (s prívodmi na všetkých štyroch stranách) musí byť doska na vedenie tepla umiestnená na zadnej strane DPS alebo vo vnútri DPS.

Zväčšenie veľkosti dosky vedúcej teplo je vynikajúci spôsob, ako zlepšiť tepelný výkon balíkov PowerPAD. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Tabuľkový údajový list výrobku obvykle uvádza tieto rozmery. Vyčíslenie vplyvu pridanej medi na vlastné PCBS je však ťažké. 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. Tieto výpočtové nástroje zdôrazňujú, do akej miery návrh DPS ovplyvňuje výkon rozptylu tepla. 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. Pri dvojitých radových baleniach môžeme na odvod tepla použiť štýl podložky „psia kosť“.

Nakoniec na chladenie je možné použiť aj systémy s väčšími PCBS. 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. Vzhľadom na tepelnú vodivosť a náklady by mal byť počet skrutiek maximalizovaný až do zníženia návratnosti. Kovová výstuž PCB má po pripojení k tepelnej doske väčšiu chladiacu plochu. V niektorých aplikáciách, kde má kryt DPS plášť, materiál spájkovacej náplasti TYPU B má vyšší tepelný výkon ako vzduchom chladený plášť. Na chladenie systému sa bežne používajú aj chladiace riešenia, ako sú ventilátory a rebrá, ale často vyžadujú viac priestoru alebo vyžadujú konštrukčné úpravy na optimalizáciu chladenia.

Na navrhnutie systému s vysokým tepelným výkonom nestačí zvoliť dobré IC zariadenie a uzavreté riešenie. Plánovanie výkonu chladenia IC závisí od DPS a kapacity chladiaceho systému, aby sa zariadenia IC mohli rýchlo ochladiť. Vyššie uvedená metóda pasívneho chladenia môže výrazne zlepšiť výkon systému odvádzajúceho teplo.