IC paketleri şunlara dayanır: PCB ısı dağılımı için. Genel olarak PCB, yüksek güçlü yarı iletken cihazlar için ana soğutma yöntemidir. İyi bir PCB ısı dağılımı tasarımının büyük etkisi vardır, sistemin iyi çalışmasını sağlayabilir, ancak aynı zamanda gizli termal kaza tehlikesini de gömebilir. PCB düzeninin, kart yapısının ve cihaz montajının dikkatli bir şekilde ele alınması, orta ve yüksek güçlü uygulamalar için ısı dağılımı performansının iyileştirilmesine yardımcı olabilir.

Yarı iletken üreticileri, cihazlarını kullanan sistemleri kontrol etmekte zorlanırlar. Ancak, IC’nin kurulu olduğu bir sistem, genel cihaz performansı için kritik öneme sahiptir. Özel IC cihazları için, sistem tasarımcısı, sistemin yüksek güçlü cihazların birçok ısı yayma gereksinimlerini karşıladığından emin olmak için tipik olarak üretici ile yakın bir şekilde çalışır. Bu erken işbirliği, IC’nin elektrik ve performans standartlarını karşılamasını sağlarken, müşterinin soğutma sistemi içinde düzgün çalışmasını sağlar. Birçok büyük yarı iletken şirketi, cihazları standart bileşenler olarak satar ve üretici ile nihai uygulama arasında herhangi bir temas yoktur. Bu durumda, IC ve sistem için iyi bir pasif ısı dağıtma çözümü elde etmeye yardımcı olmak için yalnızca bazı genel yönergeleri kullanabiliriz.

Ortak yarı iletken paket tipi çıplak ped veya PowerPADTM paketidir. Bu paketlerde çip, çip pedi adı verilen metal bir plaka üzerine monte edilir. Bu tür yonga pedi, yonga işleme sürecinde yongayı destekler ve ayrıca cihazın ısı dağılımı için iyi bir termal yoldur. Paketlenmiş çıplak ped PCB’ye kaynak yapıldığında, ısı paketten ve PCB’ye hızla çıkar. Isı daha sonra PCB katmanlarından çevredeki havaya dağılır. Çıplak ped paketleri tipik olarak ısının yaklaşık %80’ini paketin altından PCB’ye aktarır. Isının kalan %20’si cihaz kabloları ve paketin çeşitli tarafları aracılığıyla yayılır. Isının %1’den daha azı paketin üst kısmından dışarı çıkar. Bu çıplak ped paketleri durumunda, belirli cihaz performansını sağlamak için iyi PCB ısı dağılımı tasarımı şarttır.

PCB tasarımının termal performansı iyileştiren ilk yönü, PCB cihaz düzenidir. Mümkün olduğunda, PCB üzerindeki yüksek güçlü bileşenler birbirinden ayrılmalıdır. Yüksek güçlü bileşenler arasındaki bu fiziksel boşluk, her bir yüksek güçlü bileşenin etrafındaki PCB alanını en üst düzeye çıkarır ve bu da daha iyi ısı transferi elde edilmesine yardımcı olur. PCB üzerindeki yüksek güçlü bileşenlerden sıcaklığa duyarlı bileşenlerin ayrılmasına özen gösterilmelidir. Mümkün olan her yerde, yüksek güçlü bileşenler PCB’nin köşelerinden uzağa yerleştirilmelidir. Daha ara bir PCB konumu, yüksek güçlü bileşenlerin etrafındaki kart alanını en üst düzeye çıkarır ve böylece ısının dağıtılmasına yardımcı olur. Şekil 2, iki özdeş yarı iletken cihazı göstermektedir: A ve B bileşenleri. PCB’nin köşesinde bulunan A bileşeni, daha merkezi olarak konumlandırılan B bileşeninden %5 daha yüksek A çip bağlantı sıcaklığına sahiptir. A bileşeninin köşesindeki ısı dağılımı, ısı dağıtımı için kullanılan bileşenin etrafındaki daha küçük panel alanı ile sınırlıdır.

İkinci yön, PCB tasarımının termal performansı üzerinde en belirleyici etkiye sahip olan PCB’nin yapısıdır. Genel bir kural olarak, PCB’de ne kadar fazla bakır varsa, sistem bileşenlerinin termal performansı o kadar yüksek olur. Yarı iletken cihazlar için ideal ısı dağılımı durumu, çipin büyük bir sıvı soğutmalı bakır bloğu üzerine monte edilmesidir. Bu, çoğu uygulama için pratik değildir, bu nedenle ısı dağılımını iyileştirmek için PCB’de başka değişiklikler yapmak zorunda kaldık. Günümüzde çoğu uygulama için sistemin toplam hacmi küçülmekte ve bu da ısı yayma performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Daha büyük PCB’ler, ısı transferi için kullanılabilecek daha fazla yüzey alanına sahiptir, ancak aynı zamanda yüksek güçlü bileşenler arasında yeterli boşluk bırakmak için daha fazla esnekliğe sahiptir.

Mümkün olduğunda, PCB bakır katmanlarının sayısını ve kalınlığını en üst düzeye çıkarın. Topraklama bakırının ağırlığı genellikle büyüktür ve bu, tüm PCB ısı dağılımı için mükemmel bir termal yoldur. Katmanların kablolarının düzenlenmesi, ısı iletimi için kullanılan bakırın toplam özgül ağırlığını da arttırır. Bununla birlikte, bu kablolama genellikle elektriksel olarak yalıtılmıştır ve potansiyel bir ısı emici olarak kullanımını sınırlar. Cihaz topraklaması, ısı iletimini en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olmak için mümkün olduğunca çok sayıda topraklama katmanına elektriksel olarak bağlanmalıdır. Yarı iletken aygıtın altındaki PCB’deki ısı dağıtma delikleri, ısının PCB’nin gömülü katmanlarına girmesine ve kartın arkasına aktarılmasına yardımcı olur.

Bir PCB’nin üst ve alt katmanları, geliştirilmiş soğutma performansı için “ana konumlardır”. Daha geniş kablolar kullanmak ve yüksek güçlü cihazlardan uzağa yönlendirmek, ısı dağılımı için termal bir yol sağlayabilir. Özel ısı iletim panosu, PCB ısı dağılımı için mükemmel bir yöntemdir. Termal iletken plaka, PCB’nin üstünde veya arkasında bulunur ve doğrudan bakır bağlantı veya termal açık delik yoluyla cihaza termal olarak bağlanır. Sıralı paketleme durumunda (yalnızca paketin her iki tarafında uçlar bulunur), ısı iletim plakası, “köpek kemiği” şeklinde PCB’nin üstüne yerleştirilebilir (ortası paket kadar dardır, bakırın paketten uzakta geniş bir alanı vardır, ortada küçük ve her iki uçta da büyük). Dört taraflı paket durumunda (dört tarafı da kablolarla birlikte), ısı iletim plakası PCB’nin arkasına veya PCB’nin içine yerleştirilmelidir.

Isı iletim plakasının boyutunu artırmak, PowerPAD paketlerinin termal performansını iyileştirmenin mükemmel bir yoludur. Farklı boyuttaki ısı iletim plakası, termal performans üzerinde büyük etkiye sahiptir. Tablolu bir ürün veri sayfası tipik olarak bu boyutları listeler. Ancak eklenen bakırın özel PCB’ler üzerindeki etkisini ölçmek zordur. Çevrimiçi hesaplayıcılarla, kullanıcılar bir cihaz seçebilir ve JEDEC olmayan bir PCB’nin termal performansı üzerindeki etkisini tahmin etmek için bakır pedin boyutunu değiştirebilir. Bu hesaplama araçları, PCB tasarımının ısı dağılımı performansını ne ölçüde etkilediğini vurgulamaktadır. Üst pedin alanının, cihazın çıplak ped alanından biraz daha az olduğu dört taraflı paketler için, gömme veya arka katman, daha iyi soğutma elde etmek için ilk yöntemdir. Çift sıralı paketlerde, ısıyı dağıtmak için “köpek kemiği” ped stilini kullanabiliriz.

Son olarak, daha büyük PCB’lere sahip sistemler de soğutma için kullanılabilir. PCB’yi monte etmek için kullanılan vidalar, termal plakaya ve zemin katmanına bağlandığında sistemin tabanına etkin termal erişim de sağlayabilir. Termal iletkenlik ve maliyet göz önüne alındığında, vida sayısı azalan verim noktasına kadar maksimize edilmelidir. Metal PCB sertleştirici, termal plakaya bağlandıktan sonra daha fazla soğutma alanına sahiptir. PCB muhafazasının bir kabuğa sahip olduğu bazı uygulamalar için, B TİPİ lehim yama malzemesi, hava soğutmalı kabuğa göre daha yüksek bir termal performansa sahiptir. Fanlar ve kanatçıklar gibi soğutma çözümleri de sistem soğutması için yaygın olarak kullanılır, ancak genellikle soğutmayı optimize etmek için daha fazla alan gerektirir veya tasarım değişiklikleri gerektirir.

Isıl performansı yüksek bir sistem tasarlamak için iyi bir IC cihazı ve kapalı çözüm seçmek yeterli değildir. IC soğutma performansı planlaması, PCB’ye ve IC cihazlarının hızla soğumasını sağlamak için soğutma sisteminin kapasitesine bağlıdır. Yukarıda bahsedilen pasif soğutma yöntemi, sistemin ısı yayma performansını büyük ölçüde iyileştirebilir.