Leiterplatte Blog - PCB Cooling Technology und IC Packaging Strategy

Für Halbleiterhersteller ist es schwierig, die Systeme zu steuern, die ihre Geräte verwenden. Das System mit IC-Geräten ist jedoch entscheidend für die Gesamtleistung des Geräts. Bei kundenspezifischen IC-Geräten arbeiten Systemdesigner normalerweise eng mit Herstellern zusammen, um sicherzustellen, dass das System viele Kühlanforderungen von Geräten mit hohem Stromverbrauch erfüllt.

Diese frühe gegenseitige Zusammenarbeit kann sicherstellen, dass die IC-Geräte die elektrischen Normen und Leistungsstandards erfüllen und gleichzeitig den normalen Betrieb im Kühlsystem des Kunden gewährleisten. Viele große Halbleiterunternehmen verkaufen Geräte mit Standardteilen, und es gibt keinen Kontakt zwischen Herstellern und Klemmenanwendungen. In diesem Fall können wir nur einige allgemeine Richtlinien verwenden, um eine bessere passive Kühllösung für IC und System zu erreichen. Abbildung 1 PowerPad DesignDer erste Aspekt des PCB Designs, der die thermische Leistung verbessern kann, ist PCB Design Layout. Wenn möglich, sollten die Komponenten mit hohem Stromverbrauch auf der Leiterplatte voneinander getrennt werden. Dieser physikalische Abstand zwischen Komponenten mit hohem Stromverbrauch maximiert die Fläche der Leiterplatte um jede Komponente mit hohem Stromverbrauch und trägt so zu einer besseren Wärmeleitung bei. Es sollte darauf geachtet werden, die temperaturempfindlichen Komponenten auf der Leiterplatte von den Komponenten mit hohem Stromverbrauch zu isolieren. Wenn möglich, sollten Komponenten mit hohem Stromverbrauch außerhalb der Leiterplattendecken installiert werden.

Die zentralere Leiterplattenposition kann den Leiterplattenbereich um die Komponenten mit hohem Stromverbrauch maximieren, um die Wärmeableitung zu unterstützen. Abbildung 2 zeigt zwei identische Halbleiterbauelemente: Komponenten A und B. Komponente A befindet sich an der Ecke des PCB-Designs, und es gibt eine Chip-Verbindungstemperatur 5% höher als die der Komponente B, weil die Position der Komponente B näher an der Mitte ist. Da der Bereich um das Bauteil zur Wärmeableitung kleiner ist, ist die Wärmeableitung an der Ecke von Bauteil A begrenzt.

Abb. 2 Einfluss des Bauteillayouts auf die thermische Leistung. Die Chiptemperatur der PCB-Eckanordnung ist höher als die der Zwischenanordnung. Der zweite Aspekt ist die Struktur der Leiterplatte, die den entscheidenden Einfluss auf die thermische Leistung des Leiterplattendesigns hat. Das allgemeine Prinzip ist, dass je mehr Kupfer in PCB, desto höher die thermische Leistung von Systemkomponenten ist.

Die ideale Wärmeableitungsbedingung von Halbleiterbauelementen ist, dass der Chip auf einem großen Stück flüssigkeitsgekühltem Kupfer montiert ist. Für die meisten Anwendungen ist diese Montagemethode nicht praktisch, so dass wir nur einige andere Änderungen an der Leiterplatte vornehmen können, um die Wärmeableitungsleistung zu verbessern. Für die meisten Anwendungen schrumpft heute das Gesamtvolumen des Systems weiter, was sich negativ auf die thermische Leistung auswirkt. Eine größere Leiterplatte hat eine größere Fläche, die für die Wärmeleitung verwendet werden kann, und hat auch eine größere Flexibilität, so dass genügend Platz zwischen Komponenten mit hohem Stromverbrauch bleibt. Wann immer möglich, maximieren Sie die Anzahl und Dicke der PCB-Kupfer-Erdungsschichten. Das Gewicht von Masseplankupfer ist im Allgemeinen groß, und es ist ein ausgezeichneter Wärmepfad für die gesamte Leiterplatte, um Wärme abzuleiten.

Zur Verbesserung der Wärmeableitungsleistung sind die oberen und unteren Schichten der Leiterplatte "goldene Standorte". Die Verwendung breiterer Drähte und Verdrahtung weg von Geräten mit hohem Stromverbrauch kann einen Heizpfad für die Wärmeableitung bieten. Die spezielle Wärmeleitungsplatte ist eine ausgezeichnete Methode zur PCB-Wärmeableitung. Die Wärmeleitungsplatte befindet sich im Allgemeinen auf der Oberseite oder Rückseite der Leiterplatte und ist thermisch mit dem Gerät durch direkte Kupferverbindung oder thermisches Durchgangsloch verbunden.

Im Falle von Inline-Verpackungen (nur die Verpackung mit Leitungen auf beiden Seiten) kann diese Wärmeleitungsplatte auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet werden, und ihre Form ist wie ein "Hundeknochen" (die Mitte ist so klein wie das Paket, der Kupferbereich, der weit von der Verpackung verbunden ist, ist groß, und die Mitte ist klein und die beiden Enden sind groß). Bei vier Seitenverpackungen (es gibt Leitungen auf allen vier Seiten) muss sich die Wärmeübertragungsplatte auf der Rückseite der Leiterplatte befinden oder in die Leiterplatte gelangen.

Abbildung 3 Beispiel für "Hundeknochen"-Methode für doppelte Inline-VerpackungenDie Größe der wärmeleitenden Platte ist eine ausgezeichnete Möglichkeit, die thermische Leistung von PowerPad-Verpackungen zu verbessern. Unterschiedliche Größen von wärmeleitenden Platten haben großen Einfluss auf die thermische Leistung. Im tabellarischen Produktdatenblatt sind diese Abmessungen in der Regel aufgeführt. Es ist jedoch schwierig, die Auswirkungen von Kupfer, das kundenspezifischen Leiterplatten zugesetzt wird, zu quantifizieren. Mit einigen Online-Taschenrechnern können Benutzer ein Gerät auswählen und dann die Größe des Kupferpads ändern, um seinen Einfluss auf die thermische Leistung von Nicht-JEDEC-Leiterplatten abzuschätzen. Diese Berechnungswerkzeuge beleuchten den Einfluss des Leiterplattendesigns auf die Wärmeableitungsleistung. Für das Vier-Seiten-Paket ist die Fläche des oberen Pads gerade kleiner als der nackte Pad-Bereich des Geräts. In diesem Fall ist der erste Weg, eine bessere Kühlung zu erreichen, die Begräbnis oder Rücklage. Für doppeltes Inline-Paket können wir den "Hundeknochen"-Pad-Stil verwenden, um Wärme abzuleiten.

Schließlich können auch Systeme mit größeren Leiterplatten zur Kühlung eingesetzt werden. Wenn die Schraubenwärmeableitung mit der Wärmeleitungsplatte und der Erdungsebene verbunden ist, können einige Schrauben, die zur Installation der Leiterplatte verwendet werden, auch effektive Wärmewege zur Systembasis werden. In Anbetracht des Wärmeleitungseffekts und der Kosten sollte die Anzahl der Schrauben der maximale Wert sein, um den Punkt der abnehmenden Erträge zu erreichen. Nach dem Anschließen an die Wärmeleitungsplatte hat die Metall-PCB-Verstärkungsplatte mehr Kühlfläche. Für einige Anwendungen, bei denen die Leiterplattenabdeckung ein Gehäuse hat, hat das typgesteuerte Schweißreparaturmaterial eine höhere thermische Leistung als das luftgekühlte Gehäuse. Kühllösungen, wie Lüfter und Kühlkörper, sind ebenfalls gängige Methoden der Systemkühlung, benötigen aber normalerweise mehr Platz oder müssen das Design modifizieren, um den Kühleffekt zu optimieren.

Um ein System mit hoher thermischer Leistung zu entwerfen, reicht es bei weitem nicht aus, eine gute IC-Einheit und eine geschlossene Lösung zu wählen. Die thermische Leistungsplanung von IC-Geräten hängt von der Kapazität der Leiterplatte und dem thermischen System ab, das IC-Geräten ermöglicht, schnell abzukühlen. Das passive Kühlverfahren kann die Wärmeableitungsleistung des Systems erheblich verbessern.