Các gói vi mạch dựa vào PCB để tản nhiệt. 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. Xử lý cẩn thận bố cục PCB, cấu trúc bo mạch và giá đỡ thiết bị có thể giúp cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho các ứng dụng công suất trung bình và cao.

Các nhà sản xuất chất bán dẫn gặp khó khăn trong việc kiểm soát các hệ thống sử dụng thiết bị của họ. However, a system with an IC installed is critical to overall device performance. Đối với các thiết bị IC tùy chỉnh, nhà thiết kế hệ thống thường làm việc chặt chẽ với nhà sản xuất để đảm bảo rằng hệ thống đáp ứng nhiều yêu cầu tản nhiệt của các thiết bị công suất cao. Sự hợp tác sớm này đảm bảo rằng vi mạch đáp ứng các tiêu chuẩn về điện và hiệu suất, đồng thời đảm bảo hoạt động bình thường trong hệ thống làm mát của khách hàng. Many large semiconductor companies sell devices as standard components, and there is no contact between the manufacturer and the end application. Trong trường hợp này, chúng tôi chỉ có thể sử dụng một số hướng dẫn chung để giúp đạt được giải pháp tản nhiệt thụ động tốt hơn cho vi mạch và hệ thống.

Cách thiết kế tản nhiệt cho PCB

Loại gói bán dẫn phổ biến là gói trần hoặc gói PowerPADTM. In these packages, the chip is mounted on a metal plate called a chip pad. Loại miếng lót chip này hỗ trợ chip trong quá trình xử lý chip, đồng thời là đường dẫn nhiệt tốt cho quá trình tản nhiệt của thiết bị. 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. Các gói trần thường truyền khoảng 80% nhiệt vào PCB qua đáy của gói. 20% nhiệt còn lại được tỏa ra qua các dây dẫn của thiết bị và các mặt khác nhau của gói. Dưới 1% nhiệt thoát ra qua đầu gói. Trong trường hợp của các gói trần này, thiết kế tản nhiệt PCB tốt là điều cần thiết để đảm bảo hiệu suất nhất định của thiết bị.

Khía cạnh đầu tiên của thiết kế PCB giúp cải thiện hiệu suất nhiệt là cách bố trí thiết bị PCB. Bất cứ khi nào có thể, các thành phần công suất cao trên PCB nên được tách rời khỏi nhau. Khoảng cách vật lý giữa các thành phần công suất cao này tối đa hóa diện tích PCB xung quanh mỗi thành phần công suất cao, giúp truyền nhiệt tốt hơn. Care should be taken to separate temperature sensitive components from high power components on the PCB. Bất cứ nơi nào có thể, các thành phần công suất cao nên được đặt cách xa các góc của PCB. Vị trí PCB trung gian hơn giúp tối đa hóa diện tích bo mạch xung quanh các thành phần công suất cao, do đó giúp tản nhiệt. Hai linh kiện bán dẫn giống nhau được biểu diễn: linh kiện A và B. Thành phần A, nằm ở góc của PCB, có nhiệt độ tiếp giáp chip A cao hơn 5% so với thành phần B, được đặt ở vị trí trung tâm hơn. Tản nhiệt ở góc của linh kiện A bị giới hạn bởi diện tích bảng điều khiển nhỏ hơn xung quanh linh kiện được sử dụng để tản nhiệt.

Khía cạnh thứ hai là cấu trúc của PCB, có ảnh hưởng quyết định nhất đến hiệu suất nhiệt của thiết kế PCB. Theo nguyên tắc chung, PCB càng có nhiều đồng thì hiệu suất nhiệt của các thành phần hệ thống càng cao. Tình huống tản nhiệt lý tưởng cho các thiết bị bán dẫn là chip được gắn trên một khối đồng lớn làm mát bằng chất lỏng. Điều này không thực tế đối với hầu hết các ứng dụng, vì vậy chúng tôi đã phải thực hiện các thay đổi khác đối với PCB để cải thiện khả năng tản nhiệt. 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.

Bất cứ khi nào có thể, hãy tối đa hóa số lượng và độ dày của các lớp đồng PCB. Trọng lượng của đồng nối đất nói chung là lớn, đây là một đường dẫn nhiệt tuyệt vời cho toàn bộ tản nhiệt PCB. The arrangement of the wiring of the layers also increases the total specific gravity of copper used for heat conduction. Tuy nhiên, hệ thống dây điện này thường được cách điện, hạn chế việc sử dụng nó như một bộ tản nhiệt tiềm ẩn. Nối đất của thiết bị nên được nối dây điện với càng nhiều lớp tiếp đất càng tốt để giúp dẫn nhiệt tối đa. Các lỗ tản nhiệt trên PCB bên dưới thiết bị bán dẫn giúp nhiệt đi vào các lớp nhúng của PCB và truyền ra mặt sau của bo mạch.

Các lớp trên cùng và dưới cùng của PCB là “vị trí đắc địa” để cải thiện hiệu suất làm mát. Sử dụng dây rộng hơn và định tuyến xa các thiết bị công suất cao có thể tạo ra một đường dẫn nhiệt để tản nhiệt. Bo mạch dẫn nhiệt đặc biệt là một phương pháp tuyệt vời để tản nhiệt PCB. Tấm dẫn nhiệt nằm ở mặt trên hoặc mặt sau của PCB và được kết nối nhiệt với thiết bị thông qua kết nối đồng trực tiếp hoặc lỗ xuyên nhiệt. Trong trường hợp đóng gói nội tuyến (chỉ với dây dẫn ở cả hai mặt của gói), tấm dẫn nhiệt có thể nằm trên đỉnh của PCB, có hình dạng giống như “xương chó” (ở giữa hẹp như gói, đồng xa gói có diện tích lớn, nhỏ ở giữa và lớn ở hai đầu). Trong trường hợp gói bốn cạnh (có dây dẫn ở cả bốn mặt), tấm dẫn nhiệt phải được đặt ở mặt sau của PCB hoặc bên trong PCB.

Tăng kích thước của tấm dẫn nhiệt là một cách tuyệt vời để cải thiện hiệu suất nhiệt của các gói PowerPAD. Different size of heat conduction plate has great influence on thermal performance. Bảng dữ liệu sản phẩm dạng bảng thường liệt kê các kích thước này. Nhưng việc định lượng tác động của đồng được thêm vào PCBS tùy chỉnh là rất khó. 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. Các công cụ tính toán này làm nổi bật mức độ ảnh hưởng của thiết kế PCB đến hiệu suất tản nhiệt. 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. Đối với các gói nội tuyến kép, chúng ta có thể sử dụng kiểu đệm “xương chó” để tản nhiệt.

Cuối cùng, các hệ thống có PCBS lớn hơn cũng có thể được sử dụng để làm mát. 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. Xem xét khả năng dẫn nhiệt và chi phí, số lượng vít nên được tối đa hóa đến mức lợi nhuận giảm dần. Bộ làm cứng PCB bằng kim loại có nhiều diện tích làm mát hơn sau khi được kết nối với tấm nhiệt. Đối với một số ứng dụng mà vỏ PCB có vỏ, vật liệu hàn TYPE B có hiệu suất nhiệt cao hơn vỏ được làm mát bằng không khí. Các giải pháp làm mát, chẳng hạn như quạt và cánh tản nhiệt, cũng thường được sử dụng để làm mát hệ thống, nhưng chúng thường đòi hỏi nhiều không gian hơn hoặc yêu cầu sửa đổi thiết kế để tối ưu hóa việc làm mát.

Để thiết kế một hệ thống có hiệu suất nhiệt cao, việc chọn một thiết bị vi mạch tốt và giải pháp đóng là chưa đủ. Lập lịch hiệu suất làm mát của IC phụ thuộc vào PCB và công suất của hệ thống làm mát để cho phép các thiết bị IC làm mát nhanh chóng. Phương pháp làm mát thụ động được đề cập ở trên có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tản nhiệt của hệ thống.