Leiterplattentechnisch - Die Grundlagen der Verwendung von PCB-Board-Wärmeableitung und IC-Verpackungsstrategien

Oberflächenmontage-IC-Pakete verlassen sich auf Leiterplatten für die Wärmeableitung. Im Allgemeinen sind Leiterplatten die primäre Kühlmethode für Hochleistungshalbleiterbauelemente. Ein gutes thermisches PCB-Design hat einen enormen Einfluss, es kann das System gut laufen lassen und es kann auch die versteckte Gefahr thermischer Unfälle begraben. Eine sorgfältige Handhabung von Leiterplattenlayout, Leiterplattenkonstruktion und Geräteplatzierung kann dazu beitragen, die thermische Leistung in Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung zu verbessern.

Halbleiterhersteller haben Schwierigkeiten, die Systeme zu kontrollieren, in denen ihre Geräte verwendet werden. Das System, in dem der IC montiert ist, ist jedoch entscheidend für die Gesamtleistung des Geräts. Bei kundenspezifischen IC-Geräten arbeitet der Systemdesigner oft eng mit dem Hersteller zusammen, um sicherzustellen, dass das System die vielen thermischen Anforderungen von Hochleistungsgeräten erfüllt. Diese frühe Zusammenarbeit stellt sicher, dass der IC die elektrischen und Leistungsstandards erfüllt und gleichzeitig den ordnungsgemäßen Betrieb innerhalb des Kühlsystems des Kunden aufrechterhält. Viele große Halbleiterunternehmen verkaufen ihre Geräte als Standardteile, ohne Kontakt zwischen Hersteller und Endanwendung. In diesem Fall können wir nur einige allgemeine Richtlinien verwenden, um eine bessere passive Kühllösung für IC und Systeme zu erreichen.

Häufige Halbleiterpakettypen sind freiliegende Pad- oder PowerPADTM-Pakete. In diesen Verpackungen wird der Chip an einem Stück Metall befestigt, das als Matrizenpad bezeichnet wird. Dieses Chippad unterstützt den Chip während der Chipverarbeitung und ist auch ein guter Wärmeweg für die Wärmeableitung des Gerätes. Wenn das freiliegende Pad des Pakets mit der Leiterplatte gelötet wird, kann Wärme schnell aus dem Paket und in die Leiterplatte abgeleitet werden. Danach wird die Wärme durch die verschiedenen Leiterplattenschichten in die Umgebungsluft abgeführt. Exposed-Pad-Pakete leiten typischerweise etwa 80% der Wärme ab, die durch die Unterseite des Gehäuses in die Leiterplatte gelangt. Der verbleibende 20% wird durch die Gerätedrähte und alle Seiten des Gehäuses abgeführt. Weniger als 1% der Wärme wird durch die Oberseite des Gehäuses abgeführt. Für diese exponierten Pad-Pakete ist ein gutes PCB-Thermodesign entscheidend, um eine bestimmte Geräteleistung zu gewährleisten. Ein Aspekt des PCB-Designs, der die thermische Leistung verbessern kann, ist das PCB-Gerätelayout. Wenn möglich, sollten Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte voneinander getrennt werden. Diese physikalische Trennung zwischen Hochleistungskomponenten ermöglicht einen Leiterplattenbereich um jede Hochleistungskomponente, um eine bessere Wärmeübertragung zu erreichen. Es sollte darauf geachtet werden, temperaturempfindliche Komponenten von Hochleistungsdissipationskomponenten auf der Leiterplatte zu isolieren. Wenn möglich, sollten Hochleistungskomponenten weg von den Ecken der Leiterplatte montiert werden. Eine zentralere Leiterplattenposition ermöglicht es, den Leiterplattenbereich um stromhungrige Komponenten zu minimieren, um die Wärme abzuleiten. Der zweite Aspekt ist die Struktur der Leiterplatte, ein Aspekt, der einen entscheidenden Einfluss auf die thermische Leistung des Leiterplattendesigns hat. Die allgemeine Regel ist, dass je mehr Kupfer die Leiterplatte hat, desto besser die thermische Leistung der Systemkomponenten. Die ideale Wärmeableitungssituation für Halbleiterbauelemente ist, wenn die Matrize auf einem großen Stück flüssigkeitsgekühltem Kupfer montiert wird. Für die meisten Anwendungen ist diese Platzierungsmethode nicht praktisch, so dass wir nur einige andere Änderungen an der Leiterplatte vornehmen können, um die thermische Leistung zu verbessern. Für die meisten Anwendungen schrumpft die Gesamtsystemgröße, was sich negativ auf die thermische Leistung auswirkt. Je größer die Leiterplatte, desto größer ist die Fläche für die Wärmeleitung und desto flexibler ist es, genügend Platz zwischen Hochleistungskomponenten zu lassen. Optimieren Sie nach Möglichkeit die Anzahl und Dicke der Leiterplatten-Kupfer-Masseebenen. Kupfer der Erdoberfläche ist im Allgemeinen schwer im Gewicht, und es ist ein ausgezeichneter Wärmeweg für die Wärmeableitung über die gesamte Leiterplatte. Die Anordnung der Verkabelung für jede Schicht erhöht auch den Gesamtanteil des Kupfers, der für die Wärmeleitung verwendet wird. Dieses Routing erfolgt jedoch in der Regel in elektrischer und thermischer Isolation, wodurch seine Rolle als potenzieller Kühlkörper eingeschränkt wird. Die Geräteerdungsebene sollte so elektrisch wie möglich so viele Erdungsebenen geführt werden, um die Wärmeleitung zu unterstützen. Thermische Durchgänge auf der Leiterplatte unterhalb des Halbleitergeräts helfen Wärme, in die vergrabenen Schichten der Leiterplatte einzudringen und zur Rückseite der Leiterplatte zu leiten. Die oberen und unteren Schichten einer Leiterplatte sind der "goldene Boden" zur Verbesserung der thermischen Leistung. Die Verwendung breiterer Drähte, die von Hochleistungsgeräten weggeleitet werden, kann einen thermischen Weg für die Wärmeableitung bieten. Spezielle Thermopads sind eine ausgezeichnete Möglichkeit, Wärme von einer Leiterplatte abzuleiten. Thermische Pads befinden sich typischerweise auf der Oberseite oder Rückseite der Leiterplatte und werden thermisch über direkte Kupferverbindungen oder thermische Durchgänge mit dem Gerät verbunden. Im Falle von Inline-Paketen (Pakete mit nur beidseitigen Leitungen) kann dieses Thermopad auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet werden, geformt wie ein "Hundeknochen" (die Mitte ist so schmal wie das Paket, und der Verbindungskupferbereich weg vom Paket ist größer. groß, klein in der Mitte und groß an beiden Enden). Bei einem vierseitigen Paket (mit Leitungen auf allen vier Seiten) muss sich das Thermopad auf der Rückseite der Leiterplatte oder in die Leiterplatte befinden. Die Erhöhung der Wärmepolstergröße ist eine hervorragende Möglichkeit, die Wärmeleistung eines PowerPAD-Pakets zu verbessern. Verschiedene wärmeleitende Plattengrößen haben einen dramatischen Einfluss auf die thermische Leistung. Produktdatenblätter, die in tabellarischer Form bereitgestellt werden, listen typischerweise diese Abmessungen auf. Es ist jedoch schwierig, den Einfluss des zugesetzten Kupfers einer kundenspezifischen Leiterplatte zu quantifizieren. Mit einigen Online-Rechnern kann der Benutzer ein Gerät auswählen und dann die Größe der Kupferpads ändern, um seinen Einfluss auf die thermische Leistung einer Nicht-JEDEC-Leiterplatte abzuschätzen. Diese Berechnungswerkzeuge zeigen, inwieweit sich das PCB-Design auf die thermische Leistung auswirkt. Bei einem vierseitigen Paket ist der obere Pad-Bereich nur kleiner als der freiliegende Pad-Bereich des Geräts. In diesem Fall ist eine vergrabene oder rückseitige Schicht die erste Möglichkeit, eine bessere Kühlung zu erreichen. Für doppelte Inline-Pakete können wir ein "Hundeknochen"-Pad-Muster verwenden, um Wärme abzuleiten. Einige der Schrauben, die zur Montage der Leiterplatte verwendet werden, können auch ein effektiver Wärmeweg zur Basis des Systems sein, wo die Schrauben thermisch mit dem Thermopad und der Masseebene verbunden sind. Die Anzahl der Schrauben sollte ein Wert sein, der unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit und der Kosten den Punkt der abnehmenden Erträge erreicht. Der Metall-Leiterplattenversteifer hat mehr Kühlfläche, nachdem er an der wärmeleitenden Platte befestigt wurde. Für einige Anwendungen, bei denen die Leiterplatte mit einem Gehäuse abgedeckt ist, hat das profilierte Lötfilet eine höhere thermische Leistung als ein luftgekühltes Gehäuse. Kühllösungen wie Lüfter und Kühlkörper sind ebenfalls gängige Methoden der Systemkühlung, benötigen aber oft 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 thermische Leistungsplanung eines IC hängt von der Leiterplatte und der Fähigkeit des Kühlsystems ab, das IC-Gerät schnell zu kühlen. Mit der obigen passiven Kühlmethode kann die Wärmeableitungsleistung des Systems erheblich verbessert werden.