PCB -kylteknik har du lärt dig

IC -paket är beroende av PCB för värmeavledning. I allmänhet är PCB den huvudsakliga kylmetoden för högeffekts halvledarenheter. En bra PCB -värmeavledningsdesign har stor inverkan, det kan få systemet att fungera bra, men kan också begrava den dolda risken för termiska olyckor. Noggrann hantering av PCB-layout, kortstruktur och enhetsfäste kan hjälpa till att förbättra värmeavledningsprestanda för applikationer med medelhög och hög effekt.

ipcb

Halvledartillverkare har svårt att kontrollera system som använder sina enheter. Ett system med en IC installerad är dock avgörande för enhetens övergripande prestanda. För anpassade IC-enheter arbetar systemdesignern vanligtvis nära med tillverkaren för att säkerställa att systemet uppfyller de många värmeavledningskraven för enheter med hög effekt. Detta tidiga samarbete säkerställer att IC uppfyller elektriska och prestandakrav, samtidigt som det säkerställer korrekt drift inom kundens kylsystem. Många stora halvledarföretag säljer enheter som standardkomponenter, och det finns ingen kontakt mellan tillverkaren och slutapplikationen. I det här fallet kan vi bara använda några allmänna riktlinjer för att uppnå en bra passiv värmeavledningslösning för IC och system.

Vanlig halvledarpaketstyp är bare pad eller PowerPADTM -paket. I dessa paket är chipet monterat på en metallplatta som kallas chip chip. Denna typ av chippad stöder chipet i processen för chipbearbetning och är också en bra termisk väg för enhetens värmeavledning. När den förpackade kudden svetsas till kretskortet, kommer värmen snabbt ut från förpackningen och in i kretskortet. Värmen släpps sedan ut genom PCB -skikten till den omgivande luften. Bare pad -paket överför vanligtvis cirka 80% av värmen till kretskortet genom förpackningens botten. De återstående 20% av värmen avges genom enhetstrådarna och olika sidor av förpackningen. Mindre än 1% av värmen kommer ut genom förpackningens ovansida. När det gäller dessa paket med bara dynor är en bra PCB-värmeavledningsdesign avgörande för att säkerställa vissa enheters prestanda.

Den första aspekten av PCB -design som förbättrar termisk prestanda är PCB -enhetens layout. När det är möjligt bör de kraftfulla komponenterna på kretskortet separeras från varandra. Detta fysiska avstånd mellan högeffektskomponenter maximerar kretskortsområdet runt varje högeffektkomponent, vilket hjälper till att uppnå bättre värmeöverföring. Var noga med att separera temperaturkänsliga komponenter från komponenter med hög effekt på kretskortet. Där det är möjligt bör högeffektsdelar placeras bort från hörnen på kretskortet. En mer mellanliggande PCB-position maximerar skivområdet runt de kraftfulla komponenterna, vilket hjälper till att sprida värme. Figur 2 visar två identiska halvledaranordningar: komponenterna A och B. Komponent A, som ligger i hörnet av kretskortet, har A -chipskopplingstemperatur 5% högre än komponent B, som är placerad mer centralt. Värmeavledningen vid hörnet av komponent A begränsas av den mindre panelytan runt komponenten som används för värmeavledning.

Den andra aspekten är PCB -strukturen, som har det mest avgörande inflytandet på PCB -designens termiska prestanda. Som en allmän regel, ju mer koppar kretskortet har, desto högre termisk prestanda har systemkomponenterna. Den ideala värmeavledningssituationen för halvledarenheter är att chipet är monterat på ett stort block av vätskekyld koppar. Detta är inte praktiskt för de flesta applikationer, så vi var tvungna att göra andra ändringar av kretskortet för att förbättra värmeavledningen. För de flesta applikationer idag krymper systemets totala volym, vilket påverkar värmeavledningens prestanda negativt. Större PCBS har mer yta som kan användas för värmeöverföring, men har också mer flexibilitet för att lämna tillräckligt med utrymme mellan kraftfulla komponenter.

När det är möjligt, maximera antalet och tjockleken på PCB -kopparlager. Vikten av jordat koppar är generellt stor, vilket är en utmärkt termisk väg för hela PCB -värmeavledningen. Arrangemanget av ledningarnas lager ökar också den totala specifika vikten av koppar som används för värmeledning. Denna ledning är dock vanligtvis elektriskt isolerad, vilket begränsar dess användning som en potentiell kylfläns. Enhetens jordning bör anslutas så elektriskt som möjligt till så många jordlager som möjligt för att maximera värmeledningen. Värmeavledningshål i kretskortet under halvledarenheten hjälper värmen att komma in i de inbäddade skikten på kretskortet och överföra till baksidan av kortet.

De övre och nedre skikten på ett kretskort är “bästa platser” för förbättrad kylprestanda. Att använda bredare ledningar och dra bort från högeffektsenheter kan ge en termisk väg för värmeavledning. Speciell värmeledningskort är en utmärkt metod för PCB -värmeavledning. Den värmeledande plattan är placerad på toppen eller baksidan av kretskortet och är termiskt ansluten till enheten genom antingen en direkt kopparanslutning eller ett termiskt genomgående hål. Vid inline -förpackning (endast med ledningar på båda sidor av förpackningen) kan värmeledningsplattan placeras på toppen av kretskortet, formad som ett “hundben” (mitten är lika smal som förpackningen, koppar bort från förpackningen har en stor yta, liten i mitten och stor i båda ändar). Vid förpackning med fyra sidor (med ledningar på alla fyra sidor) måste värmeledningsplattan placeras på baksidan av kretskortet eller inuti kretskortet.

Att öka storleken på värmeledningsplattan är ett utmärkt sätt att förbättra den termiska prestandan hos PowerPAD -paket. Olika storlekar på värmeledningsplattan har stort inflytande på termisk prestanda. Ett tabellformat produktdatablad listar vanligtvis dessa dimensioner. Men att kvantifiera effekten av tillsatt koppar på anpassad PCBS är svårt. Med onlinekalkylatorer kan användarna välja en enhet och ändra storleken på koppardynan för att uppskatta dess effekt på den termiska prestandan hos ett icke-JEDEC-kretskort. Dessa beräkningsverktyg belyser i vilken utsträckning PCB -design påverkar värmeavledningens prestanda. För fyrsidiga förpackningar, där ytan på den övre dynan är mindre än enhetens nakna yta, är inbäddning eller bakre skikt den första metoden för att uppnå bättre kylning. För dubbla in-line paket kan vi använda “hundben” -formen för att avleda värme.

Slutligen kan system med större PCBS också användas för kylning. Skruvarna som används för att montera kretskortet kan också ge effektiv termisk åtkomst till basen av systemet när den är ansluten till värmeplattan och markskiktet. Med tanke på värmeledningsförmåga och kostnad bör antalet skruvar maximeras till en minskning av avkastningen. PCB -förstyvningen av metall har mer kylningsyta efter att den har anslutits till värmeplattan. För vissa applikationer där PCB -höljet har ett skal har TYPE B -lödmaterialet en högre termisk prestanda än det luftkylda skalet. Kylösningar, såsom fläktar och fenor, används också vanligtvis för systemkylning, men de kräver ofta mer utrymme eller kräver konstruktionsändringar för att optimera kylningen.

För att designa ett system med hög termisk prestanda räcker det inte med att välja en bra IC -enhet och sluten lösning. Schemaläggning av IC -kylningsprestanda beror på kretskortet och kylsystemets kapacitet för att låta IC -enheter svalna snabbt. Den ovan nämnda passiva kylmetoden kan avsevärt förbättra systemets värmeavledning.