คุณได้เรียนรู้เทคโนโลยีการระบายความร้อนของ PCB

แพ็คเกจ IC พึ่งพา PCB สำหรับการกระจายความร้อน โดยทั่วไป PCB เป็นวิธีระบายความร้อนหลักสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง การออกแบบการกระจายความร้อนของ PCB ที่ดีนั้นมีผลกระทบอย่างมาก สามารถทำให้ระบบทำงานได้ดี แต่ยังสามารถฝังอันตรายที่ซ่อนอยู่จากอุบัติเหตุทางความร้อนได้ การจัดการเค้าโครง PCB โครงสร้างบอร์ด และการยึดอุปกรณ์อย่างระมัดระวังสามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อนสำหรับแอปพลิเคชันขนาดกลางและกำลังสูง

ipcb

ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีปัญหาในการควบคุมระบบที่ใช้อุปกรณ์ของตน อย่างไรก็ตาม ระบบที่ติดตั้ง IC นั้นมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์ สำหรับอุปกรณ์ IC แบบกำหนดเอง ผู้ออกแบบระบบมักจะทำงานอย่างใกล้ชิดกับผู้ผลิตเพื่อให้แน่ใจว่าระบบตรงตามข้อกำหนดการกระจายความร้อนจำนวนมากของอุปกรณ์กำลังสูง การทำงานร่วมกันในช่วงแรกนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่า IC เป็นไปตามมาตรฐานทางไฟฟ้าและประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็รับประกันการทำงานที่เหมาะสมภายในระบบทำความเย็นของลูกค้า บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่หลายแห่งขายอุปกรณ์เป็นส่วนประกอบมาตรฐาน และไม่มีการติดต่อระหว่างผู้ผลิตกับแอปพลิเคชันปลายทาง ในกรณีนี้ เราสามารถใช้ได้เพียงแนวทางทั่วไปบางประการเพื่อช่วยให้บรรลุโซลูชันการกระจายความร้อนแบบพาสซีฟที่ดีสำหรับ IC และระบบ

ประเภทแพ็คเกจเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปคือแผ่นเปล่าหรือแพ็คเกจ PowerPADTM ในแพ็คเกจเหล่านี้ ชิปจะติดตั้งบนแผ่นโลหะที่เรียกว่าแผ่นชิป แผ่นชิปชนิดนี้รองรับชิปในกระบวนการประมวลผลชิป และยังเป็นวิธีระบายความร้อนที่ดีสำหรับอุปกรณ์กระจายความร้อน เมื่อเชื่อมแผ่นเปล่าที่บรรจุไว้กับ PCB ความร้อนจะออกจากบรรจุภัณฑ์และเข้าสู่ PCB อย่างรวดเร็ว ความร้อนจะกระจายผ่านชั้น PCB สู่อากาศโดยรอบ แพ็คเกจแผ่นเปล่ามักจะถ่ายเทความร้อนประมาณ 80% ไปยัง PCB ผ่านด้านล่างของแพ็คเกจ ความร้อนที่เหลืออีก 20% จะถูกปล่อยผ่านสายอุปกรณ์และด้านต่างๆ ของบรรจุภัณฑ์ ความร้อนน้อยกว่า 1% เล็ดลอดผ่านด้านบนของบรรจุภัณฑ์ ในกรณีของแพ็คเกจแผ่นเปล่า การออกแบบการกระจายความร้อนของ PCB ที่ดีเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของอุปกรณ์บางอย่าง

ด้านแรกของการออกแบบ PCB ที่ปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนคือการจัดวางอุปกรณ์ PCB เมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ ควรแยกส่วนประกอบกำลังสูงบน PCB ออกจากกัน ระยะห่างทางกายภาพระหว่างส่วนประกอบที่มีกำลังสูงนี้จะเพิ่มพื้นที่ PCB รอบๆ ส่วนประกอบที่มีกำลังสูงแต่ละชิ้น ซึ่งช่วยให้ถ่ายเทความร้อนได้ดีขึ้น ควรใช้ความระมัดระวังในการแยกส่วนประกอบที่ไวต่ออุณหภูมิออกจากส่วนประกอบที่มีกำลังสูงบน PCB เมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ ส่วนประกอบกำลังสูงควรอยู่ห่างจากมุมของ PCB ตำแหน่ง PCB ระดับกลางจะช่วยเพิ่มพื้นที่บอร์ดรอบๆ ส่วนประกอบกำลังสูง ซึ่งช่วยกระจายความร้อน รูปที่ 2 แสดงอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่เหมือนกันสองตัว: ส่วนประกอบ A และ B ส่วนประกอบ A ซึ่งอยู่ที่มุมของ PCB มีอุณหภูมิจุดต่อชิป A สูงกว่าส่วนประกอบ B 5% ซึ่งอยู่ตรงกลางมากกว่า การกระจายความร้อนที่มุมของส่วนประกอบ A ถูกจำกัดโดยพื้นที่แผงที่เล็กกว่ารอบๆ ส่วนประกอบที่ใช้สำหรับการกระจายความร้อน

ด้านที่สองคือโครงสร้างของ PCB ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพทางความร้อนของการออกแบบ PCB ตามกฎทั่วไป ยิ่ง PCB มีทองแดงมากเท่าใด ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของส่วนประกอบระบบก็จะยิ่งสูงขึ้น สถานการณ์การกระจายความร้อนในอุดมคติสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์คือชิปนั้นติดตั้งอยู่บนบล็อกทองแดงระบายความร้อนด้วยของเหลวขนาดใหญ่ วิธีนี้ใช้ไม่ได้กับการใช้งานส่วนใหญ่ ดังนั้นเราจึงต้องทำการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ กับ PCB เพื่อปรับปรุงการกระจายความร้อน สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ในปัจจุบัน ปริมาณรวมของระบบลดลง ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการกระจายความร้อน PCBS ที่ใหญ่ขึ้นมีพื้นที่ผิวมากกว่าที่สามารถนำมาใช้สำหรับการถ่ายเทความร้อน แต่ยังมีความยืดหยุ่นมากขึ้นเพื่อให้มีที่ว่างเพียงพอระหว่างส่วนประกอบที่มีกำลังสูง

เมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ ให้เพิ่มจำนวนและความหนาของชั้นทองแดง PCB สูงสุด น้ำหนักของทองแดงที่ต่อลงดินโดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นเส้นทางระบายความร้อนที่ดีเยี่ยมสำหรับการกระจายความร้อนของ PCB ทั้งหมด การจัดวางสายไฟของชั้นต่างๆ ยังเพิ่มความถ่วงจำเพาะของทองแดงที่ใช้สำหรับการนำความร้อนอีกด้วย อย่างไรก็ตาม การเดินสายนี้มักจะเป็นฉนวนไฟฟ้า ซึ่งจำกัดการใช้งานเป็นแผงระบายความร้อนที่อาจเกิดขึ้น การลงกราวด์ของอุปกรณ์ควรต่อสายไฟฟ้าให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อช่วยเพิ่มการนำความร้อน รูระบายความร้อนใน PCB ด้านล่างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้ความร้อนเข้าสู่ชั้นฝังตัวของ PCB และถ่ายโอนไปยังด้านหลังของบอร์ด

ชั้นบนและล่างของ PCB เป็น “ตำแหน่งหลัก” เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน การใช้สายไฟและเส้นทางที่กว้างขึ้นจากอุปกรณ์กำลังสูงสามารถให้เส้นทางระบายความร้อนสำหรับการกระจายความร้อน บอร์ดการนำความร้อนแบบพิเศษเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมสำหรับการกระจายความร้อนของ PCB แผ่นนำความร้อนตั้งอยู่ที่ด้านบนหรือด้านหลังของ PCB และเชื่อมต่อทางความร้อนกับอุปกรณ์ผ่านการเชื่อมต่อทองแดงโดยตรงหรือรูระบายความร้อน ในกรณีของบรรจุภัณฑ์แบบอินไลน์ (เฉพาะกับตะกั่วทั้งสองด้านของบรรจุภัณฑ์) แผ่นนำความร้อนสามารถวางอยู่ที่ด้านบนของ PCB ซึ่งมีรูปร่างเหมือน “กระดูกสุนัข” (ตรงกลางจะแคบเท่ากับบรรจุภัณฑ์ ทองแดงออกจากหีบห่อมีพื้นที่ขนาดใหญ่ เล็กตรงกลาง และใหญ่ที่ปลายทั้งสอง) ในกรณีของบรรจุภัณฑ์สี่ด้าน (มีสายนำทั้งสี่ด้าน) แผ่นนำความร้อนจะต้องอยู่ที่ด้านหลังของ PCB หรือภายใน PCB

การเพิ่มขนาดของแผ่นนำความร้อนเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนของแพ็คเกจ PowerPAD แผ่นนำความร้อนขนาดต่างๆ มีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อน แผ่นข้อมูลผลิตภัณฑ์แบบตารางมักจะแสดงรายการมิติเหล่านี้ แต่การหาปริมาณผลกระทบของทองแดงที่เติมบน PCBS แบบกำหนดเองนั้นทำได้ยาก ด้วยเครื่องคิดเลขออนไลน์ ผู้ใช้สามารถเลือกอุปกรณ์และเปลี่ยนขนาดของแผ่นทองแดงเพื่อประเมินผลกระทบต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนของ PCB ที่ไม่ใช่ของ JEDEC เครื่องมือคำนวณเหล่านี้เน้นย้ำถึงขอบเขตที่การออกแบบ PCB ส่งผลต่อประสิทธิภาพการกระจายความร้อน สำหรับบรรจุภัณฑ์สี่ด้าน ซึ่งพื้นที่ของแผ่นด้านบนน้อยกว่าพื้นที่แผ่นเปล่าของอุปกรณ์ การฝังหรือเลเยอร์ด้านหลังเป็นวิธีแรกในการระบายความร้อนได้ดีขึ้น สำหรับแพ็คเกจอินไลน์คู่ เราสามารถใช้รูปแบบแผ่น “กระดูกสุนัข” เพื่อกระจายความร้อน

สุดท้าย ระบบที่มี PCBS ขนาดใหญ่กว่าก็สามารถใช้ระบายความร้อนได้ สกรูที่ใช้ยึด PCB ยังช่วยให้เข้าถึงฐานของระบบระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเชื่อมต่อกับแผ่นความร้อนและชั้นกราวด์ เมื่อพิจารณาถึงค่าการนำความร้อนและต้นทุน จำนวนสกรูควรสูงสุดจนถึงจุดที่ผลตอบแทนลดลง ตัวทำให้แข็ง PCB โลหะมีพื้นที่ทำความเย็นมากขึ้นหลังจากเชื่อมต่อกับแผ่นความร้อน สำหรับการใช้งานบางประเภทที่ตัวเรือน PCB มีเปลือก วัสดุตัวประสาน TYPE B มีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนสูงกว่าเปลือกระบายความร้อนด้วยอากาศ โซลูชันการระบายความร้อน เช่น พัดลมและครีบมักใช้สำหรับการระบายความร้อนของระบบ แต่มักต้องการพื้นที่มากขึ้นหรือต้องมีการปรับเปลี่ยนการออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน

หากต้องการออกแบบระบบให้มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูง การเลือกอุปกรณ์ IC ที่ดีและโซลูชันแบบปิดไม่เพียงพอนั้นไม่เพียงพอ การจัดตารางประสิทธิภาพการทำความเย็นของ IC ขึ้นอยู่กับ THE PCB และความสามารถของระบบทำความเย็นเพื่อให้อุปกรณ์ IC เย็นลงอย่างรวดเร็ว วิธีการทำความเย็นแบบพาสซีฟที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของระบบได้อย่างมาก