Technológiu chladenia DPS ste sa naučili

Balíky IC sa spoliehajú PCB na odvod tepla. PCB je vo všeobecnosti hlavnou metódou chladenia polovodičových zariadení s vysokým výkonom. Dobrá konštrukcia rozptylu tepla do DPS má veľký vplyv, môže zaistiť dobrý chod systému, ale tiež môže pochovať skryté nebezpečenstvo tepelných nehôd. Starostlivé zaobchádzanie s rozložením DPS, štruktúrou dosky a držiakom zariadenia môže pomôcť zlepšiť výkon rozptylu tepla pre stredne a vysoko výkonné aplikácie.

ipcb

Výrobcovia polovodičov majú problémy s ovládaním systémov, ktoré používajú ich zariadenia. Systém s nainštalovaným integrovaným obvodom je však rozhodujúci pre celkový výkon zariadenia. 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. Mnoho veľkých polovodičových spoločností predáva zariadenia ako štandardné súčiastky a medzi výrobcom a koncovou aplikáciou nie je žiadny kontakt. V tomto prípade môžeme použiť iba niektoré všeobecné pokyny, ktoré nám pomôžu dosiahnuť dobré riešenie pasívneho odvádzania tepla pre integrované obvody a systém.

Bežným typom polovodičového obalu je holý pad alebo balíček PowerPADTM. V týchto balíkoch je čip namontovaný na kovovej doske nazývanej čipová podložka. Tento druh čipovej podložky podporuje čip v procese spracovania čipu a je tiež dobrou tepelnou cestou pre odvod tepla zariadenia. Keď je zabalená holá podložka privarená k doske plošných spojov, teplo rýchlo vystupuje z obalu a do dosky plošných spojov. Teplo je potom rozptýlené cez vrstvy DPS do okolitého vzduchu. 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. Je potrebné dbať na oddelenie komponentov citlivých na teplotu od komponentov s vysokým výkonom na doske plošných spojov. 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. Obrázok 2 zobrazuje dve identické polovodičové zariadenia: súčiastky 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. Pre väčšinu dnešných aplikácií sa celkový objem systému zmenšuje, čo nepriaznivo ovplyvňuje výkon rozptylu tepla. Väčšie PCBS majú väčšiu povrchovú plochu, ktorú je možné použiť na prenos tepla, ale majú aj väčšiu flexibilitu, aby ponechali dostatok priestoru medzi komponentmi s vysokým výkonom.

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. Usporiadanie zapojenia vrstiev tiež zvyšuje celkovú špecifickú hmotnosť medi použitej na vedenie tepla. 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. Rôzne veľkosti tepelne vodivých dosiek majú veľký vplyv na tepelný výkon. Tabuľkový údajový list výrobku obvykle uvádza tieto rozmery. Vyčíslenie vplyvu pridanej medi na vlastné PCBS je však ťažké. S online kalkulačkami si môžu užívatelia vybrať zariadenie a zmeniť veľkosť medenej podložky, aby odhadli jej vplyv na tepelný výkon PCB iného typu ako JEDEC. Tieto výpočtové nástroje zdôrazňujú, do akej miery návrh DPS ovplyvňuje výkon rozptylu tepla. V prípade štvorstranných balení, kde je oblasť horného vankúša menšia ako plocha holého vankúšika zariadenia, je vkladacia alebo zadná vrstva prvou metódou na dosiahnutie lepšieho chladenia. Pri dvojitých radových baleniach môžeme na odvod tepla použiť štýl podložky „psia kosť“.

Nakoniec na chladenie je možné použiť aj systémy s väčšími PCBS. Skrutky použité na montáž dosky plošných spojov môžu tiež poskytovať účinný tepelný prístup k základni systému, keď sú pripojené k tepelnej doske a základnej vrstve. 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.