Các gói vi mạch dựa vào PCB để tản nhiệt. Nói chung, PCB là phương pháp làm mát chính cho các thiết bị bán dẫn công suất cao. Một thiết kế tản nhiệt PCB tốt có tác động rất lớn, nó có thể làm cho hệ thống hoạt động tốt, nhưng cũng có thể chôn giấu nguy cơ tai nạn nhiệt. 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. Tuy nhiên, một hệ thống có cài đặt vi mạch là rất quan trọng đối với hiệu suất tổng thể của thiết bị. 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. Nhiều công ty bán dẫn lớn bán các thiết bị dưới dạng linh kiện tiêu chuẩn, và không có liên hệ giữa nhà sản xuất và ứng dụng cuối cùng. In this case, we can only use some general guidelines to help achieve a good passive heat dissipation solution for IC and system.

Loại gói bán dẫn phổ biến là gói trần hoặc gói PowerPADTM. Trong các gói này, chip được gắn trên một tấm kim loại được gọi là miếng đệm chip. 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. Khi tấm đệm trần đóng gói được hàn với PCB, nhiệt nhanh chóng thoát ra khỏi gói và đi vào PCB. Sau đó, nhiệt sẽ được tản ra qua các lớp PCB vào không khí xung quanh. 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. Cần cẩn thận để tách các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ khỏi các thành phần công suất cao trên 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. Figure 2 shows two identical semiconductor devices: components A and 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. Đối với hầu hết các ứng dụng ngày nay, tổng khối lượng của hệ thống đang bị thu hẹp, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất tản nhiệt. PCBS lớn hơn có nhiều diện tích bề mặt hơn có thể được sử dụng để truyền nhiệt, nhưng cũng linh hoạt hơn để có đủ không gian giữa các thành phần công suất cao.

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. Việc bố trí hệ thống dây của các lớp cũng làm tăng tổng trọng lượng riêng của đồng dùng để dẫn nhiệt. 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. Kích thước khác nhau của tấm dẫn nhiệt có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nhiệt. A tabular product data sheet typically lists these dimensions. Nhưng việc định lượng tác động của đồng được thêm vào PCBS tùy chỉnh là rất khó. Với máy tính trực tuyến, người dùng có thể chọn một thiết bị và thay đổi kích thước của miếng đồng để ước tính ảnh hưởng của nó đến hiệu suất nhiệt của PCB không phải JEDEC. Các công cụ tính toán này làm nổi bật mức độ ảnh hưởng của thiết kế PCB đến hiệu suất tản nhiệt. Đối với các gói bốn cạnh, trong đó diện tích của tấm đệm trên cùng chỉ nhỏ hơn diện tích tấm đệm trần của thiết bị, phương pháp nhúng hoặc lớp sau là phương pháp đầu tiên để đạt được khả năng làm mát tốt hơn. 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. Các vít được sử dụng để gắn PCB cũng có thể cung cấp khả năng tiếp cận nhiệt hiệu quả đến phần đế của hệ thống khi được kết nối với tấm nhiệt và lớp đất. 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.