Leiterplattentechnisch - PCB-Kühlung und IC-Gehäuse Wärmeableitung

Das IC-Paket verlässt sich auf die Leiterplatte, um Wärme abzuleiten. Im Allgemeinen, PCB ist die Hauptkühlmethode für Halbleiterbauelemente mit hohem Stromverbrauch. Ein gutes PCB-Wärmeableitungsdesign hat einen großen Einfluss. Es kann das System gut funktionieren lassen, und es kann auch die versteckten Gefahren von diermischen Unfällen begraben. Sorgfältiger Umgang mit Leiterplattenlayout, Leiterplattenstruktur, Die Platzierung von Geräten kann dazu beitragen, die thermische Leistung von Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung zu verbessern.

Für Halbleiterhersteller ist es schwierig, die Systeme zu steuern, die ihre Geräte verwenden. Das System, in dem der IC installiert ist, ist jedoch entscheidend für die Gesamtleistung des Geräts. Bei kundenspezifischen IC-Geräten arbeiten Systemdesigner normalerweise eng mit Herstellern zusammen, um sicherzustellen, dass das System die vielen Wärmeableitungsanforderungen von Hochleistungsgeräten erfüllt. Diese frühe Zusammenarbeit kann sicherstellen, dass der IC elektrische Normen und Leistungsstandards erfüllt und gleichzeitig den normalen Betrieb im Kühlsystem des Kunden gewährleistet. Viele große Halbleiterunternehmen verkaufen Geräte als Standardteile, und es gibt keinen Kontakt zwischen Hersteller und Endanwendung. In diesem Fall können wir nur einige allgemeine Richtlinien verwenden, um eine bessere IC- und System-passive Kühllösung zu erreichen.

Der übliche Halbleiterpakettyp ist das exponierte Pad oder das PowerPADTM-Paket. In diesen Verpackungen wird der Chip auf einem Blech montiert, 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 die Wärme schnell aus dem Paket ableiten und dann in die Leiterplatte gelangen. Danach wird die Wärme durch jede Leiterplattenschicht in die Umgebungsluft abgeführt. Exposierte Pad-Pakete leiten im Allgemeinen etwa 80% der Wärme, die durch die Unterseite des Pakets in die Leiterplatte gelangt. Die verbleibende 20% der Wärme wird über 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-Wärmeableitungsdesign unerlässlich, um eine bestimmte Geräteleistung sicherzustellen.

Der erste Aspekt des PCB-Designs, der die thermische Leistung verbessern kann, ist das Layout von PCB-Komponenten. Wenn möglich, sollten Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte voneinander getrennt werden. Diese physikalische Trennung zwischen Hochleistungskomponenten maximiert den Leiterplattenbereich um jede Hochleistungskomponente und trägt so zu einer besseren Wärmeleitung bei. Es sollte darauf geachtet werden, temperaturempfindliche Komponenten auf der Leiterplatte von Hochleistungskomponenten zu isolieren. Wenn möglich, sollte der Installationsort von Hochleistungskomponenten weit weg von den Ecken der Leiterplatte sein. Ein zentralerer PCB-Standort kann den Leiterplattenbereich um Hochleistungskomponenten maximieren und so zur Wärmeableitung beitragen. Abbildung 2 zeigt zwei identische Halbleiterbauelemente: Komponenten A und B. Komponente A befindet sich an der Ecke der Leiterplatte und hat eine Chipverbindungstemperatur, die 5% höher ist als die der Komponente B, weil Komponente B näher an der Mitte liegt. Da der Plattenbereich um das Bauteil zur Wärmeableitung kleiner ist, ist die Wärmeableitung an der Ecke von Bauteil A begrenzt.

Der zweite Aspekt ist die Struktur der Leiterplatte, das den entscheidenden Einfluss auf die thermische Leistung der PCB-Design. Das allgemeine Prinzip ist: Je mehr Kupfer in der Leiterplatte, je höher die thermische Leistung der Systemkomponenten. Die ideale Wärmeableitungssituation für Halbleiterbauelemente ist, dass der Chip auf einem großen Stück flüssigkeitsgekühltem Kupfer montiert ist. Für die meisten Anwendungen, diese Befestigungsmethode ist unpraktisch, So können wir nur einige andere Änderungen an der Leiterplatte vornehmen, um die Wärmeableitungsleistung zu verbessern. Für die meisten Anwendungen heute, das Gesamtvolumen des Systems schrumpft weiter, die sich nachteilig auf die Wärmeableitungsleistung auswirkt. Je größer die Leiterplatte, je größer die Fläche, die für die Wärmeleitung genutzt werden kann, und es hat auch mehr Flexibilität, genügend Platz zwischen den Hochleistungskomponenten.

Maximieren Sie die Anzahl und Dicke der Leiterplatten-Kupfer-Masseebenen wann immer möglich. Das Gewicht des Bodenschichtkupfers ist im Allgemeinen relativ groß, und es ist ein ausgezeichneter Wärmeweg für die gesamte Leiterplatte, um Wärme abzuleiten. Die Anordnung der Verkabelung für jede Schicht erhöht auch den Gesamtanteil des Kupfers, der für die Wärmeleitung verwendet wird. Diese Verkabelung ist jedoch meist elektrisch und thermisch isoliert, was ihre Rolle als potenzielle Wärmeableitungsschicht begrenzt. Die Verdrahtung der Geräteerdungsebene sollte mit vielen Erdungsebenen so elektrisch wie möglich sein, um die Wärmeleitung zu maximieren. Die Wärmeableitungsdurchlässe auf der Leiterplatte unter dem Halbleitergerät helfen Wärme, in die vergrabenen Schichten der Leiterplatte einzudringen und zur Rückseite der Leiterplatte zu leiten.

Zur Verbesserung der Wärmeableitungsleistung sind die oberen und unteren Schichten der Leiterplatte "goldene Standorte". Verwenden Sie breitere Drähte und leiten Sie sie von Hochleistungsgeräten weg, um einen thermischen Weg für die Wärmeableitung bereitzustellen. Die dedizierte Thermoplatine ist eine ausgezeichnete Methode zur Wärmeableitung von Leiterplatten. Die Thermoplatine befindet sich im Allgemeinen auf der Oberseite oder Rückseite der Leiterplatte und ist thermisch mit dem Gerät durch direkte Kupferverbindungen oder thermische Durchgänge verbunden. Im Falle von Inline-Verpackungen (Verpackungen mit Leitungen nur auf beiden Seiten) kann diese Art von Wärmeleitplatte auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet sein und wie ein "Hundeknochen" geformt werden (die Mitte ist so schmal wie die Verpackung, und der Bereich weg von der Verpackung ist relativ klein: groß, klein in der Mitte und groß an den Enden). Bei einem vierseitigen Paket (mit Leitungen auf allen vier Seiten) muss sich die wärmeleitende Platte auf der Rückseite der Leiterplatte befinden oder in die Leiterplatte gelangen.

Die Vergrößerung der Thermoplatte ist eine hervorragende Möglichkeit, die thermische Leistung des PowerPAD-Pakets zu verbessern. Unterschiedliche Thermoplattengrößen haben einen großen Einfluss auf die thermische Leistung. Das Produktdatenblatt in Form einer Tabelle listet diese Größeninformationen in der Regel auf. Es ist jedoch schwierig, die Auswirkungen des zugesetzten Kupfers von kundenspezifischen Leiterplatten zu quantifizieren. Mit einigen Online-Rechnern können Benutzer ein Gerät auswählen und dann die Größe des Kupferpads ändern, um seinen Einfluss auf die Wärmeableitungsleistung von Nicht-JEDEC-Leiterplatten abzuschätzen. Diese Berechnungswerkzeuge beleuchten den Einfluss des PCB-Designs auf die thermische Leistung. Bei einem vierseitigen Paket ist die Fläche des oberen Pads gerade kleiner als die Fläche des freiliegenden Pads des Geräts. In diesem Fall ist die vergrabene oder hintere Schicht der erste Weg, um eine bessere Kühlung zu erreichen. Für doppelte Inline-Pakete können wir eine "Dog Bone"-Pad-Art verwenden, um Wärme abzuleiten.

Endlich, Ein größeres PCB-System kann auch zur Kühlung verwendet werden. Für den Fall, dass die Schrauben zur Wärmeableitung mit der wärmeleitenden Platte und der Masseebene verbunden sind, Einige Schrauben, die zur Montage der Leiterplatte verwendet werden, können auch effektive Wärmewege zur Systembasis werden. Berücksichtigung des Wärmeleitungseffekts und der Kosten, Die Anzahl der Schrauben sollte der maximale Wert sein, der den Punkt der abnehmenden Erträge erreicht. Nach dem Anschluss an die Wärmeleitplatte, the Metall PCB Verstärkungsplatte hat mehr Kühlfläche. Für einige Anwendungen, bei denen die Leiterplatte mit einer Schale bedeckt ist, Das typgesteuerte Schweißreparaturmaterial hat eine höhere thermische Leistung als die luftgekühlte Schale. Kühllösungen, wie Ventilatoren und Kühlkörper, sind auch gängige Verfahren zur Systemkühlung, aber sie benötigen normalerweise mehr Platz oder müssen das Design modifizieren, um den Kühleffekt zu optimieren.