Kako uporabljati PCB za odvajanje toplote paketa IC?

Prvi vidik načrtovanja PCB, ki lahko izboljša toplotno zmogljivost, je postavitev naprave PCB. Kadar koli je mogoče, je treba visoko zmogljive komponente na PCB ločiti med seboj. Ta fizična ločitev med visoko zmogljivimi komponentami poveča površino PCB-ja okoli vsake visoko zmogljive komponente, s čimer pomaga doseči boljšo prevodnost toplote. Paziti je treba, da temperaturno občutljive komponente na PCB izolirate od komponent z visoko močjo. Kadar je le mogoče, naj bo mesto namestitve komponent z visoko močjo daleč stran od vogalov tiskanega vezja. Bolj osrednja lokacija PCB lahko poveča površino plošče okoli visoko zmogljivih komponent, s čimer pomaga pri odvajanju toplote. Slika 2 prikazuje dve enaki polprevodniški napravi: komponento A in komponento B. Komponenta A se nahaja na vogalu tiskanega vezja in ima temperaturo stika, ki je 5 % višja od komponente B, ker se komponenta B nahaja bližje sredini. Ker je površina plošče okoli komponente za odvajanje toplote manjša, je odvajanje toplote na vogalu komponente A omejeno.

Kako uporabiti PCB za odvajanje toplote paketa IC?

Drugi vidik je struktura tiskanega vezja, ki najbolj vpliva na toplotno zmogljivost zasnove tiskanega vezja. Splošno načelo je: več bakra v PCB, večja je toplotna zmogljivost komponent sistema. Idealna situacija za odvajanje toplote za polprevodniške naprave je, da je čip nameščen na velik kos tekočinsko hlajenega bakra. Za večino aplikacij je ta način montaže nepraktičen, zato lahko naredimo le nekatere druge spremembe tiskanega vezja za izboljšanje učinkovitosti odvajanja toplote. Za večino aplikacij danes se skupna prostornina sistema še naprej krči, kar negativno vpliva na zmogljivost odvajanja toplote. Večja kot je tiskana vezja, večja je površina, ki jo je mogoče uporabiti za prevajanje toplote, poleg tega pa ima večjo fleksibilnost, kar omogoča dovolj prostora med komponentami visoke moči.

Kadar koli je mogoče, povečajte število in debelino bakrenih ozemljitvenih plošč PCB. Teža bakra ozemljitvene plasti je na splošno razmeroma velika in je odlična toplotna pot za celoten PCB za odvajanje toplote. Razporeditev ožičenja za vsako plast bo povečala tudi skupni delež bakra, ki se uporablja za toplotno prevodnost. Vendar je to ožičenje običajno električno in toplotno izolirano, kar omejuje njegovo vlogo kot potencialne plasti za odvajanje toplote. Ožičenje ozemljitve naprave mora biti čim bolj električno z več ozemljitvenimi ploskvami, da se poveča prevodnost toplote. Prehodi za odvajanje toplote na PCB pod polprevodniško napravo pomagajo toploti, da vstopi v zakopane plasti tiskanega vezja in vodi do zadnje strani vezja.

Za izboljšanje učinkovitosti odvajanja toplote sta zgornji in spodnji sloj tiskanega vezja “zlata mesta”. Uporabite širše žice in jih usmerite stran od naprav z visoko močjo, da zagotovite toplotno pot za odvajanje toplote. Namenska termična plošča je odlična metoda za odvajanje toplote PCB. Termalna plošča je običajno nameščena na zgornji ali zadnji strani tiskanega vezja in je toplotno povezana z napravo prek neposrednih bakrenih povezav ali termičnih prehodov. V primeru inline paketa (paketi z vodniki na obeh straneh) je tovrstna toplotno prevodna plošča lahko nameščena na vrhu tiskanega vezja in oblikovana kot »pasja kost« (sredina je tako ozka kot paket, površina stran od embalaže je relativno majhna, velika, majhna na sredini in velika na koncih). Pri štiristranskem paketu (na vseh štirih straneh so vodi) mora biti toplotno prevodna plošča nameščena na zadnji strani tiskanega vezja ali vstopiti v PCB.

Kako uporabiti PCB za odvajanje toplote paketa IC?

Povečanje velikosti termične plošče je odličen način za izboljšanje toplotne učinkovitosti paketa PowerPAD. Različne velikosti plošč za toplotno prevodnost imajo velik vpliv na toplotno učinkovitost. Podatkovni list izdelka v obliki tabele na splošno navaja te podatke o velikosti. Vendar pa je težko količinsko opredeliti vpliv dodanega bakra PCB-jev po meri. Z uporabo nekaterih spletnih kalkulatorjev lahko uporabniki izberejo napravo in nato spremenijo velikost bakrene blazinice, da ocenijo njen vpliv na zmogljivost odvajanja toplote PCB-jev, ki niso JEDEC. Ta orodja za izračun poudarjajo vpliv zasnove PCB na toplotno zmogljivost. Pri štiristranskem paketu je površina zgornje blazinice le manjša od površine izpostavljene blazinice naprave. V tem primeru je zakopana ali zadnja plast prvi način za boljše hlajenje. Za dvojne in-line pakete lahko za odvajanje toplote uporabimo vložek v obliki “pasje kosti”.

Končno se lahko za hlajenje uporabljajo tudi sistemi z večjimi PCB-ji. V primeru, da so vijaki priključeni na toplotno prevodno ploščo in ozemljitveno ploščo za odvajanje toplote, lahko nekateri vijaki, ki se uporabljajo za montažo tiskanega vezja, postanejo tudi učinkovite toplotne poti do osnove sistema. Glede na učinek toplotne prevodnosti in stroške mora biti število vijakov največja vrednost, ki doseže točko padajočega donosa. Po priključitvi na toplotno prevodno ploščo ima kovinska ojačitvena plošča PCB več hladilne površine. Za nekatere aplikacije, kjer je PCB pokrit z lupino, ima tipsko kontroliran material za popravilo varjenja višjo toplotno zmogljivost kot zračno hlajena lupina. Hladilne rešitve, kot so ventilatorji in hladilniki, so tudi običajne metode za hlajenje sistema, vendar običajno zahtevajo več prostora ali pa je treba spremeniti zasnovo, da se optimizira učinek hlajenja.

Za načrtovanje sistema z večjo toplotno zmogljivostjo ni dovolj izbrati dobre IC naprave in zaprte rešitve. Učinkovitost odvajanja toplote IC je odvisna od PCB-ja in sposobnosti sistema za odvajanje toplote, da hitro ohladi naprave IC. Z uporabo zgornje metode pasivnega hlajenja je mogoče močno izboljšati učinkovitost odvajanja toplote sistema.