PCB cooling technology have you learned

IC封装依赖 PCB 用于散热。 一般来说,PCB是大功率半导体器件的主要冷却方式。 一个好的PCB散热设计有很大的影响,它可以使系统运行良好,但也可以埋下热事故的隐患。 小心处理 PCB 布局、电路板结构和设备安装有助于提高中高功率应用的散热性能。

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半导体制造商难以控制使用其设备的系统。 但是,安装了 IC 的系统对整体设备性能至关重要。 对于定制 IC 器件,系统设计人员通常与制造商密切合作,以确保系统满足大功率器件的许多散热要求。 这种早期合作可确保 IC 符合电气和性能标准,同时确保在客户的冷却系统内正常运行。 许多大型半导体公司将设备作为标准组件出售,制造商和最终应用之间没有联系。 In this case, we can only use some general guidelines to help achieve a good passive heat dissipation solution for IC and system.

常见的半导体封装类型为裸焊盘或 PowerPADTM 封装。 在这些封装中,芯片安装在称为芯片焊盘的金属板上。 这种芯片焊盘在芯片加工过程中支撑芯片,同时也是器件散热的良好散热路径。 当封装的裸焊盘焊接到 PCB 上时,热量会迅速从封装中排出并进入 PCB。 然后热量通过 PCB 层散发到周围空气中。 裸焊盘封装通常通过封装底部将大约 80% 的热量传递到 PCB 中。 其余 20% 的热量通过器件导线和封装的各个侧面散发。 不到 1% 的热量通过封装顶部逸出。 在这些裸焊盘封装的情况下,良好的PCB散热设计对于确保一定的器件性能至关重要。

提高热性能的 PCB 设计的第一个方面是 PCB 器件布局。 只要有可能,PCB 上的大功率元件应彼此分开。 高功率组件之间的这种物理间距最大化了每个高功率组件周围的 PCB 面积,这有助于实现更好的热传递。 应注意将 PCB 上的温度敏感元件与高功率元件分开。 在可能的情况下,大功率元件应远离 PCB 的角落。 更中间的 PCB 位置可以最大化高功率组件周围的电路板面积,从而有助于散热。 Figure 2 shows two identical semiconductor devices: components A and B. 元件 A 位于 PCB 的拐角处,其芯片结温比元件 B 高 5%,元件 B 位于更中心的位置。 元件 A 拐角处的散热受到用于散热的元件周围较小的面板面积的限制。

第二个方面是PCB的结构,它对PCB设计的热性能有最决定性的影响。 一般来说,PCB 的铜越多,系统组件的热性能就越高。 半导体器件理想的散热情况是芯片安装在一大块液冷铜上。 这对于大多数应用来说是不切实际的,因此我们不得不对 PCB 进行其他更改以改善散热。 对于当今的大多数应用,系统的总体积正在缩小,对散热性能产生不利影响。 较大的 PCBS 有更多的表面积可用于传热,但也有更大的灵活性,可以在高功率组件之间留出足够的空间。

只要有可能,尽量增加 PCB 铜层的数量和厚度。 接地铜的重量一般都比较大,是整个PCB散热的极好散热路径。 各层布线的布置也增加了用于导热的铜的总比重。 然而,这种布线通常是电绝缘的,限制了它作为潜在的散热器的使用。 设备接地应尽可能多地连接到尽可能多的接地层,以帮助最大限度地提高热传导。 半导体器件下方 PCB 上的散热孔有助于热量进入 PCB 的嵌入层并传递到板的背面。

PCB 的顶层和底层是提高冷却性能的“主要位置”。 使用更宽的电线并远离高功率设备布线可以提供散热路径。 特殊的导热板是PCB散热的极好方法。 导热板位于 PCB 的顶部或背面,通过直接铜连接或热通孔与器件热连接。 内嵌式封装(只在封装两侧有引线)的情况下,导热板可以位于PCB的顶部,形状像“狗骨”(中间与封装一样窄,铜离封装面积大,中间小,两端大)。 如果是四面封装(四面都有引线),导热板必须位于PCB背面或PCB内部。

增加导热板的尺寸是提高 PowerPAD 封装热性能的极好方法。 不同尺寸的导热板对热性能影响很大。 A tabular product data sheet typically lists these dimensions. 但是很难量化添加铜对定制 PCBS 的影响。 使用在线计算器,用户可以选择器件并更改铜焊盘的尺寸,以估计其对非 JEDEC PCB 热性能的影响。 这些计算工具突出了 PCB 设计对散热性能的影响程度。 对于四面封装,顶部焊盘的面积仅小于器件的裸焊盘面积,嵌入或背层是实现更好冷却的第一种方法。 对于双列直插封装,我们可以使用“狗骨”焊盘样式来散热。

最后,具有较大 PCBS 的系统也可用于冷却。 当连接到热板和接地层时,用于安装 PCB 的螺钉还可以为系统底部提供有效的热通路。 考虑到导热性和成本,螺杆的数量应该最大化到收益递减点。 金属PCB加强筋与散热板连接后,散热面积更大。 对于某些 PCB 外壳有外壳的应用,TYPE B 焊片材料比风冷外壳具有更高的热性能。 冷却解决方案,例如风扇和散热片,也常用于系统冷却,但它们通常需要更多空间或需要修改设计以优化冷却。

要设计具有高热性能的系统,仅选择好的 IC 器件和封闭式解决方案是不够的。 IC 冷却性能调度取决于 PCB 和冷却系统的容量,以允许 IC 器件快速冷却。 上面提到的被动散热方式可以大大提高系统的散热性能。