IC paketi se opirajo PCB za odvajanje toplote. 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. Previdno ravnanje s postavitvijo tiskanega vezja, strukturo plošče in nosilcem naprave lahko pripomore k izboljšanju učinkovitosti odvajanja toplote za aplikacije srednje in visoke moči.

Proizvajalci polprevodnikov imajo težave pri nadzoru sistemov, ki uporabljajo njihove naprave. Vendar pa je sistem z nameščenim IC ključen za splošno delovanje naprave. Pri IC-napravah po meri oblikovalec sistema običajno tesno sodeluje s proizvajalcem, da zagotovi, da sistem izpolnjuje številne zahteve po odvajanju toplote naprav z veliko močjo. To zgodnje sodelovanje zagotavlja, da IC ustreza električnim in zmogljivostnim standardom, hkrati pa zagotavlja pravilno delovanje v hladilnem sistemu stranke. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. V tem primeru lahko uporabimo le nekaj splošnih smernic, ki pomagajo doseči boljšo rešitev pasivnega odvajanja toplote za IC in sistem.

Kako oblikovati odvajanje toplote za PCB

Pogosta vrsta polprevodniških paketov je gola blazinica ali paket PowerPADTM. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Ta vrsta blazinic za čipe podpira čip v procesu obdelave čipov in je tudi dobra toplotna pot za odvajanje toplote naprave. 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. Paketi z golimi blazinicami običajno prenesejo približno 80% toplote v tiskano vezje po dnu embalaže. Preostalih 20% toplote se oddaja skozi žice naprave in različne strani embalaže. Manj kot 1% toplote pobegne skozi vrh embalaže. Pri teh paketih z golimi blazinicami je dobra zasnova odvajanja toplote PCB bistvena za zagotovitev določenih zmogljivosti naprave.

Prvi vidik oblikovanja tiskanih vezij, ki izboljšuje toplotne lastnosti, je postavitev PCB naprav. Kadar koli je mogoče, je treba komponente z visoko močjo na tiskanem vezju ločiti med seboj. Ta fizični razmik med komponentami z visoko močjo poveča površino tiskanega vezja okoli vsake komponente z veliko močjo, kar pomaga doseči boljši prenos toplote. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Kadar je le mogoče, morajo biti komponente z visoko močjo ločene od vogalov tiskanega vezja. Bolj vmesni položaj tiskanega vezja poveča površino plošče okoli visoko zmogljivih komponent in tako pomaga pri odvajanju toplote. Prikazani sta dve enaki polprevodniški napravi: komponenti A in B. Komponenta A, ki se nahaja na vogalu tiskanega vezja, ima temperaturo spoja čipa A 5% višjo od komponente B, ki je nameščena bolj centralno. Odvajanje toplote na vogalu komponente A je omejeno z manjšo površino plošče okoli komponente, ki se uporablja za odvajanje toplote.

Drugi vidik je struktura PCB, ki ima najbolj odločilen vpliv na toplotne lastnosti oblikovanja PCB. Na splošno velja, da več kot je bakra v tiskanem vezju, večja je toplotna zmogljivost sistemskih komponent. Idealna razpršitev toplote za polprevodniške naprave je, da je čip nameščen na velikem bloku tekočinsko hlajenega bakra. To za večino aplikacij ni praktično, zato smo morali za izboljšanje odvajanja toplote narediti druge spremembe na tiskanem vezju. 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.

Kadar koli je mogoče, povečajte število in debelino bakrenih plasti PCB. Teža ozemljitvenega bakra je na splošno velika, kar je odlična toplotna pot za celotno odvajanje toplote PCB. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Vendar je to ožičenje običajno električno izolirano, kar omejuje njegovo uporabo kot potencialni hladilnik. Ozemljitev naprave mora biti čim bolj električno ožičena na čim več ozemljitvenih plasti, da se poveča prenos toplote. Odprtine za odvajanje toplote v tiskanem vezju pod polprevodniško napravo pomagajo toploti vstopiti v vgrajene plasti tiskanega vezja in se prenašati na zadnjo stran plošče.

Zgornji in spodnji sloj tiskanega vezja sta “glavni mesti” za boljše hlajenje. Uporaba širših žic in usmerjanje stran od naprav z visoko močjo lahko zagotovi toplotno pot za odvajanje toplote. Posebna toplotna prevodna plošča je odlična metoda za odvajanje toplote s PCB. Toplotno prevodna plošča se nahaja na vrhu ali na hrbtni strani tiskanega vezja in je toplotno povezana z napravo preko neposredne bakrene povezave ali toplotne luknje. V primeru inline embalaže (samo s vodili na obeh straneh embalaže) je lahko plošča za prevod toplote nameščena na vrhu tiskanega vezja, oblikovana kot “pasja kost” (sredina je ozka kot paket, baker stran od embalaže ima veliko površino, majhno na sredini in veliko na obeh koncih). V primeru štiristranskega paketa (s kabli na vseh štirih straneh) mora biti plošča za prevod toplote nameščena na zadnji strani tiskanega vezja ali znotraj tiskanega vezja.

Povečanje velikosti toplotne prevodne plošče je odličen način za izboljšanje toplotne učinkovitosti paketov PowerPAD. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Tabelarni podatkovni list izdelka običajno navaja te dimenzije. Toda količinsko opredeliti vpliv dodanega bakra na PCBS po meri je težko. 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. Ta računska orodja poudarjajo, v kolikšni meri zasnova PCB vpliva na učinkovitost odvajanja toplote. 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. Za dvojne vrstne pakete lahko uporabimo slog blazinice “pasja kost” za odvajanje toplote.

Nazadnje, sisteme z večjim PCBS lahko uporabimo tudi za hlajenje. 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. Glede na toplotno prevodnost in stroške je treba število vijakov povečati do točke zmanjšanja donosa. Kovinski ojačevalec iz PCB -ja ima po priključitvi na termično ploščo več prostora za hlajenje. Za nekatere aplikacije, kjer ima ohišje tiskanega vezja lupino, ima material za spajkanje TIP B višjo toplotno zmogljivost kot zračno hlajena lupina. Hladilne rešitve, kot so ventilatorji in plavuti, se pogosto uporabljajo tudi za hlajenje sistema, vendar pogosto zahtevajo več prostora ali pa zahtevajo spremembe zasnove za optimizacijo hlajenja.

Za oblikovanje sistema z visoko toplotno zmogljivostjo ni dovolj izbrati dobre IC naprave in zaprte rešitve. Načrtovanje zmogljivosti hlajenja IC je odvisno od tiskanega vezja in zmogljivosti hladilnega sistema, ki omogoča, da se naprave IC hitro ohladijo. Zgoraj omenjena pasivna metoda hlajenja lahko močno izboljša odvajanje toplote v sistemu.