PCB-Neuigkeiten - So entwerfen Sie ein PCB-System mit hoher thermischer Leistung

IC-Pakete verlassen sich auf PCB für Wärmeableitung. Allgemein, Leiterplatte ist die Hauptkühlmethode für Hochleistungshalbleiterbauelemente. Ein gutes PCB-Wärmeableitungsdesign hat eine große Wirkung, es kann das System gut laufen lassen, kann aber auch die versteckte Gefahr von thermischen Unfällen begraben. Sorgfältige Handhabung des Leiterplattenlayouts, Leiterplattenstruktur, Die Gerätehalterung kann zur Verbesserung der Wärmeableitungsleistung für Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung beitragen.

Halbleiterhersteller haben Schwierigkeiten, Systeme zu steuern, die ihre Geräte verwenden. Ein System mit installiertem IC ist jedoch entscheidend für die Gesamtleistung des Geräts. Bei kundenspezifischen IC-Geräten arbeitet der Systemdesigner normalerweise eng mit dem Hersteller zusammen, um sicherzustellen, dass das System die vielen Wärmeableitungsanforderungen von Hochleistungsgeräten erfüllt. Diese frühe Zusammenarbeit stellt sicher, dass der IC Elektro- und Leistungsstandards erfüllt und gleichzeitig den ordnungsgemäßen Betrieb innerhalb des Kühlsystems des Kunden gewährleistet. Viele große Halbleiterunternehmen verkaufen Geräte als Standardkomponenten, und es gibt keinen Kontakt zwischen Hersteller und Endanwendung. In diesem Fall können wir nur einige allgemeine Richtlinien verwenden, um eine bessere passive Wärmeableitung für IC und System zu erreichen.

So entwerfen Sie ein PCB-System mit hoher thermischer Leistung

Der übliche Halbleiterpakettyp ist blankes Pad oder PowerPADTM-Paket. In diesen Verpackungen wird der Chip auf einer Metallplatte montiert, die Chippad genannt wird. Diese Art von Chippad unterstützt den Chip bei der Chipverarbeitung und ist auch ein guter Wärmeweg für die Gerätewärmeableitung. Wenn das verpackte blanke Pad mit der Leiterplatte verschweißt wird, wird Wärme schnell aus dem Paket und in die Leiterplatte abgegeben. Die Wärme wird dann durch die Leiterplattenschichten in die Umgebungsluft abgeführt. Bare Pad-Pakete übertragen typischerweise etwa 80% der Wärme über die Unterseite des Gehäuses in die Leiterplatte. Die verbleibende 20% der Wärme wird über die Gerätedrähte und verschiedene Seiten des Gehäuses abgegeben. Weniger als 1% der Wärme entweicht durch die Oberseite der Verpackung. Im Fall dieser Bare-Pad-Pakete ist ein gutes PCB-Wärmeableitungsdesign unerlässlich, um eine bestimmte Geräteleistung sicherzustellen.

Ein Aspekt des PCB-Designs, der die thermische Leistung verbessern kann, ist das PCB-Gerätelayout. Wenn möglich, sollten die Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte voneinander getrennt werden. Durch diese physikalische Trennung zwischen Hochleistungskomponenten kann der Leiterplattenbereich um jede Hochleistungskomponente regionalisiert werden, was zu einer besseren Wärmeübertragung beiträgt. Es sollte darauf geachtet werden, temperaturempfindliche Komponenten von Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte zu trennen. Wo immer möglich, sollten Hochleistungskomponenten weit weg von den Ecken der Leiterplatte platziert werden. Eine mehr mittlere Leiterplattenposition ermöglicht eine größere Leiterplattenfläche um die Hochleistungskomponenten, um die Wärmeableitung zu unterstützen. Abbildung 2 zeigt zwei identische Halbleiterbauelemente: Komponenten A und B. Komponente A, die sich an der Ecke der Leiterplatte befindet, hat eine A-Chip-Verbindungstemperatur 5% höher als Komponente B, die mittig positioniert ist. Die Wärmeableitung an der Ecke des Bauteils A wird durch die kleinere Plattenfläche um das Bauteil begrenzt, das zur Wärmeableitung verwendet wird.

Der zweite Aspekt ist die Struktur der Leiterplatte, die einen entscheidenden Einfluss auf die thermische Leistung des Leiterplattendesigns hat. Generell gilt: Je mehr Kupfer die Leiterplatte hat, desto höher ist die thermische Leistung der Systemkomponenten. Die ideale Wärmeableitungssituation für Halbleiterbauelemente ist, dass der Chip auf einem großen Block flüssigkeitsgekühltem Kupfer montiert ist. Dies ist für die meisten Anwendungen nicht praktisch, daher mussten wir andere Änderungen an der Leiterplatte vornehmen, um die Wärmeableitung zu verbessern. Für die meisten Anwendungen schrumpft das Gesamtvolumen des Systems, was sich negativ auf die Wärmeableitungsleistung auswirkt. Größere PCBS haben mehr Oberfläche, die für die Wärmeübertragung verwendet werden kann, aber auch mehr Flexibilität, um genügend Platz zwischen Hochleistungskomponenten zu lassen.

Wo immer möglich, sollten Anzahl und Dicke der PCB-Kupferschicht geändert werden. Das Gewicht des Erdungskupfers ist im Allgemeinen groß, was ein ausgezeichneter Wärmeweg für die gesamte PCB-Wärmeableitung ist. Die Anordnung der Verdrahtung der Schichten erhöht auch das spezifische Gesamtgewicht des Kupfers, das für die Wärmeleitung verwendet wird. Diese Verkabelung ist jedoch in der Regel elektrisch isoliert, was ihre Verwendung als potenzieller Kühlkörper begrenzt. Die Geräteverbindungsschicht sollte so elektrisch wie möglich mit möglichst vielen Verbindungsschichten verdrahtet werden, um die Wärmeleitung zu unterstützen. Wärmeableitungslöcher in der Leiterplatte unterhalb des Halbleitergeräts helfen, Wärme in die eingebetteten Schichten der Leiterplatte einzudringen und auf die Rückseite der Leiterplatte zu übertragen.

Die oberen und unteren Schichten einer Leiterplatte sind "Prime Locations" für eine verbesserte Kühlleistung. Die Verwendung breiterer Drähte und das Wegleiten von Hochleistungsgeräten kann einen thermischen Weg für die Wärmeableitung bieten. Spezielle Wärmeleitungsplatine ist eine ausgezeichnete Methode für PCB-Wärmeableitung. Die wärmeleitende Platte befindet sich auf der Oberseite oder Rückseite der Leiterplatte und ist

thermisch mit dem Gerät entweder über einen direkten Kupferanschluss oder ein thermisches Durchgangsloch verbunden. Im Falle von Inline-Verpackungen (nur mit Leitungen auf beiden Seiten des Pakets) kann die Wärmeleitungsplatte auf der Oberseite der Leiterplatte liegen, die wie ein "Hundeknochen" geformt ist (die Mitte ist so schmal wie das Paket, das Kupfer weg von der Verpackung hat eine große Fläche, klein in der Mitte und groß an beiden Enden). Bei vierseitigem Gehäuse (mit Leitungen auf allen vier Seiten) muss sich die Wärmeleitungsplatte auf der Rückseite der Leiterplatte oder innerhalb der Leiterplatte befinden.

Die Vergrößerung der Wärmeleitungsplatte ist eine hervorragende Möglichkeit, die thermische Leistung von PowerPAD-Paketen zu verbessern. Unterschiedliche Größe der Wärmeleitungsplatte hat großen Einfluss auf die thermische Leistung. In der Regel werden diese Abmessungen in einem tabellarischen Produktdatenblatt aufgelistet. Aber die Quantifizierung der Auswirkungen von zugesetztem Kupfer auf kundenspezifische PCBS ist schwierig. Mit Online-Taschenrechnern können Benutzer ein Gerät auswählen und die Größe des Kupferpads ändern, um seinen Einfluss auf die thermische Leistung einer Nicht-JEDEC-Leiterplatte abzuschätzen. Diese Berechnungswerkzeuge zeigen, inwieweit das PCB-Design die Wärmeableitungsleistung beeinflusst. Bei vierseitigen Verpackungen, bei denen die Fläche des oberen Pads gerade kleiner als die bloße Padfläche des Geräts ist, ist die Einbettung oder Rücklage die erste Methode, um eine bessere Kühlung zu erreichen. Für doppelte Inline-Pakete können wir den "Hundeknochen"-Pad-Stil verwenden, um Wärme abzuleiten.

Größere Leiterplattensysteme können auch zur Kühlung eingesetzt werden. Die Schrauben, die zur Montage der Leiterplatte verwendet werden, können auch einen effektiven thermischen Zugang zur Basis des Systems bieten, wenn sie mit der Wärmeplatte und der Erdungsschicht verbunden sind. Unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit und der Kosten sollte die Anzahl der Schrauben den Punkt erreichen, an dem die Erträge sinken. Die Metall-PCB-Versteifung hat mehr Kühlfläche, nachdem sie mit der Wärmeplatte verbunden wurde. Für einige Anwendungen, bei denen das Leiterplattengehäuse eine Schale hat, weist das Lotpatchmaterial TYPE B eine höhere thermische Leistung als die luftgekühlte Schale auf. Kühllösungen wie Lüfter und Lamellen werden ebenfalls häufig für die Systemkühlung eingesetzt, benötigen jedoch häufig mehr Platz oder erfordern Konstruktionsänderungen, um die Kühlung zu optimieren.

Um ein System mit hoher thermischer Leistung zu entwerfen, reicht es nicht aus, ein gutes IC-Gerät und eine geschlossene Lösung zu wählen. Die Planung der IC-Kühlleistung hängt von DER Leiterplatte und der Kapazität des Kühlsystems ab, damit IC-Geräte schnell abkühlen können. Die oben erwähnte passive Kühlmethode kann die Wärmeableitungsleistung des Systems erheblich verbessern.