Tehnologija hlajenja PCB ste se naučili

IC paketi se opirajo PCB za odvajanje toplote. Na splošno je PCB glavna metoda hlajenja za polprevodniške naprave z veliko močjo. Dobra zasnova odvajanja toplote iz PCB -ja ima velik vpliv, saj lahko sistem dobro deluje, lahko pa tudi zakrije skrito nevarnost toplotnih nesreč. Previdno ravnanje s postavitvijo tiskanega vezja, strukturo plošče in nosilcem naprave lahko pripomore k izboljšanju učinkovitosti odvajanja toplote za aplikacije srednje in visoke moči.

ipcb

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. Mnoga velika polprevodniška podjetja prodajajo naprave kot standardne komponente in ni stika med proizvajalcem in končno aplikacijo. V tem primeru lahko uporabimo le nekaj splošnih smernic, ki pomagajo doseči dobro rešitev pasivnega odvajanja toplote za IC in sistem.

Pogosta vrsta polprevodniških paketov je gola blazinica ali paket PowerPADTM. V teh paketih je čip nameščen na kovinsko ploščo, imenovano blazinica za čipe. Ta vrsta blazinic za čipe podpira čip v procesu obdelave čipov in je tudi dobra toplotna pot za odvajanje toplote naprave. Ko je zapakirana gola blazinica zvarjena na tiskano vezje, toplota hitro izstopi iz embalaže in v tiskano vezje. Toplota se nato odvaja skozi plasti PCB v zrak v okolici. 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. Previdno je treba ločiti temperaturno občutljive komponente od komponent z visoko močjo na tiskanem vezju. 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. Slika 2 prikazuje 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. Za večino današnjih aplikacij se skupna prostornina sistema zmanjšuje, kar negativno vpliva na učinkovitost odvajanja toplote. Večji PCBS imajo večjo površino, ki se lahko uporablja za prenos toplote, vendar imajo tudi večjo prilagodljivost, da med komponentami z visoko močjo pustijo dovolj prostora.

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. Razporeditev ožičenja plasti povečuje tudi skupno specifično težo bakra, ki se uporablja za toplotno prevodnost. 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. Različne velikosti toplotne prevodne plošče močno vplivajo na toplotne lastnosti. Tabelarni podatkovni list izdelka običajno navaja te dimenzije. Toda količinsko opredeliti vpliv dodanega bakra na PCBS po meri je težko. S spletnimi kalkulatorji lahko uporabniki izberejo napravo in spremenijo velikost bakrene blazinice, da ocenijo njen učinek na toplotno učinkovitost tiskanega vezja, ki ni JEDEC. Ta računska orodja poudarjajo, v kolikšni meri zasnova PCB vpliva na učinkovitost odvajanja toplote. Za štiristranske pakete, kjer je površina zgornje blazinice le manjša od površine gole blazinice naprave, je vgradnja ali zadnji sloj prvi način za boljše hlajenje. Za dvojne vrstne pakete lahko uporabimo slog blazinice “pasja kost” za odvajanje toplote.

Nazadnje, sisteme z večjim PCBS lahko uporabimo tudi za hlajenje. Vijaki, ki se uporabljajo za pritrditev tiskanega vezja, lahko zagotovijo tudi učinkovit toplotni dostop do osnove sistema, ko so priključeni na toplotno ploščo in ozemljeno plast. 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.