Tecnología de PCB - Enfriamiento de PCB y disipación de calor de encapsulamiento IC

El embalaje IC se basa en la disipación de calor de los pcb. En términos generales, el PCB es el principal método de enfriamiento de dispositivos semiconductores de alto consumo de energía. Un buen diseño de disipación de calor de PCB tendrá un gran impacto. Puede hacer que el sistema funcione correctamente o enterrar los peligros ocultos de los accidentes térmicos. Manejar cuidadosamente el diseño de pcb, la estructura de la placa y el diseño del dispositivo ayuda a mejorar el rendimiento térmico de las aplicaciones de media y alta potencia.

Las empresas de fabricación de semiconductores tienen dificultades para controlar los sistemas que utilizan sus equipos. Sin embargo, los sistemas donde se instala el IC son esenciales para el rendimiento general del equipo. Para los dispositivos IC personalizados, los diseñadores de sistemas suelen trabajar estrechamente con los fabricantes para garantizar que el sistema cumpla con muchos de los requisitos de disipación de calor de los dispositivos de alta potencia. Esta cooperación temprana puede garantizar que el IC cumpla con los estándares eléctricos y los estándares de rendimiento, al tiempo que garantiza el funcionamiento normal del sistema de refrigeración del cliente. Muchas grandes compañías de semiconductores venden dispositivos como componentes estándar y no hay conexión entre el fabricante y la aplicación final. En este caso, solo podemos usar algunas guías generales para ayudar a lograr mejores soluciones de enfriamiento pasivo IC y sistema.

Los tipos comunes de encapsulamiento de semiconductores son almohadillas expuestas o encapsulamientos powerpadtm. En estos encapsulamientos, el chip está montado en una placa metálica llamada almohadilla de núcleo. La almohadilla de chip soporta el chip durante el procesamiento del CHIP y también es una buena ruta térmica para la disipación de calor del dispositivo. Cuando la almohadilla expuesta del paquete se solda al pcb, el calor puede disiparse rápidamente del paquete y luego entrar en el pcb. Después de eso, el calor se emite al aire circundante a través de cada capa de pcb. Los encapsulamientos de almohadilla expuestos suelen transmitir alrededor del 80% del calor, que entra en el PCB a través de la parte inferior del encapsulamiento. El 20% restante del calor se emite a través de los cables del dispositivo y a todos los lados del paquete. Menos del 1% del calor se emite a través de la parte superior del paquete. Para estos envases de almohadilla expuestos, un buen diseño de disipación de calor de PCB es crucial para garantizar un cierto rendimiento del dispositivo.

El primer aspecto del diseño de PCB que puede mejorar el rendimiento térmico es el diseño de los componentes de pcb. Siempre que sea posible, los componentes de alta potencia en los PCB deben separarse entre sí. Esta separación física entre los componentes de alta potencia maximiza el área de PCB alrededor de cada uno de ellos, ayudando así a lograr una mejor conducción térmica. Se debe prestar atención a aislar los elementos sensibles a la temperatura en el PCB de los elementos de alta potencia. Siempre que sea posible, la posición de instalación de los componentes de alta potencia debe mantenerse alejada de las esquinas del pcb. La posición más central del PCB puede maximizar el área de la placa alrededor del componente de alta potencia, lo que ayuda a disipar el calor. La figura 2 muestra dos dispositivos semiconductores idénticos: los componentes a y B. los componentes a se encuentran en la esquina del PCB y la temperatura de Unión del chip es un 5% más alta que la del componente b, ya que el componente B se encuentra más cerca del centro. Debido a la pequeña superficie de la placa utilizada para la disipación de calor alrededor del componente, la disipación de calor en la esquina del componente a está limitada.

El segundo aspecto es la estructura del pcb, que tiene el impacto más decisivo en las propiedades térmicas del diseño del pcb. El principio general es que cuanto más cobre hay en el pcb, mayor es el rendimiento térmico de los componentes del sistema. La situación ideal de disipación de calor de los dispositivos semiconductores es instalar el chip en un gran bloque de cobre refrigerado por líquido. Para la mayoría de las aplicaciones, este método de instalación no es práctico, por lo que solo podemos hacer algunos otros cambios en los PCB para mejorar el rendimiento de disipación de calor. Para la mayoría de las aplicaciones actuales, el volumen total del sistema continúa reduciéndose, lo que tiene un impacto negativo en el rendimiento de disipación de calor. Cuanto mayor sea el pcb, mayor será el área disponible para la conducción de calor, y también tiene mayor flexibilidad, permitiendo suficiente espacio entre los componentes de alta potencia.

Maximizar el número y el espesor del plano de tierra de cobre de PCB en la medida de lo posible. El peso del cobre en la formación de tierra suele ser relativamente grande y es una buena ruta térmica para la disipación de calor de todo el pcb. La disposición de cada capa de cableado también aumentará la proporción total de cobre para la conducción de calor. Sin embargo, este cableado suele estar aislado por electricidad y calor, lo que limita su papel como una capa potencial de disipación de calor. El cableado del plano de tierra del equipo debe tener el mayor número posible de planos de tierra para ayudar a maximizar la conducción de calor. El agujero de disipación de calor en el PCB debajo del dispositivo Semiconductor ayuda a que el calor entre en la capa enterrada del PCB y se transmita a la parte posterior de la placa de circuito.

Para mejorar el rendimiento de disipación de calor, la parte superior e inferior del PCB son "posiciones de oro". Utilice un cable más amplio y manténgalo alejado de los equipos de alta potencia para proporcionar una ruta térmica de disipación de calor. La placa de disipación de calor especial es un buen método de disipación de calor de pcb. Las placas calientes se encuentran generalmente en la parte superior o posterior del PCB y se conectan al dispositivo a través de una conexión directa de cobre o calor a través del agujero. En el caso de los encapsulamientos incorporados (encapsulamientos con solo cables en ambos lados), esta placa térmica puede ubicarse en la parte superior del PCB en forma de "hueso de perro" (tan estrecho como el Centro y el encapsulamiento, a una distancia relativamente pequeña del área encapsulada. grande, medio y pequeño en el extremo). Si se trata de un paquete de cuatro lados (con cables en todos los lados), la placa térmica debe estar ubicada en la parte posterior del PCB o entrar en el pcb.

Aumentar el tamaño de la placa caliente es una excelente manera de mejorar el rendimiento térmico de los envases powerpad. Los diferentes tamaños de las placas de aislamiento térmico tienen un gran impacto en las propiedades de aislamiento térmico. Las hojas de datos del producto proporcionadas en forma de tabla suelen enumerar esta información de tamaño. Sin embargo, es difícil cuantificar el impacto de la adición de cobre a los PCB personalizados. Con algunas calculadoras en línea, el usuario puede seleccionar un dispositivo y luego cambiar el tamaño de la almohadilla de cobre para estimar su impacto en el rendimiento de disipación de calor de los PCB no jedec. Estas herramientas de cálculo destacan el impacto del diseño de PCB en las propiedades térmicas. Para los envases de cuatro lados, el área de la almohadilla superior es exactamente menor que el área de la almohadilla expuesta del dispositivo. En este caso, la capa enterrada o la capa posterior es la primera forma de lograr un mejor enfriamiento. Para los envases de doble fila en línea, podemos usar una almohadilla de "hueso de perro" para disipar el calor.

Finalmente, un sistema de PCB más grande también se puede utilizar para enfriar. En el caso de que los tornillos se conecten a la placa térmica y al plano de tierra para disipar el calor, algunos tornillos para instalar el PCB también pueden convertirse en una ruta térmica efectiva a la base del sistema. Teniendo en cuenta el efecto de transmisión de calor y el costo, el número de tornillos debe ser el máximo para alcanzar el punto de disminución de los ingresos. Después de conectarse a la placa térmica, la placa de refuerzo de PCB metálico tiene más área de enfriamiento. Para algunas aplicaciones en las que el PCB está cubierto por la carcasa, el material de reparación de soldadura controlado por tipo tiene un mayor rendimiento térmico que la carcasa refrigerada por aire. Las soluciones de enfriamiento, como ventiladores y radiadores, también son formas comunes de enfriar el sistema, pero suelen requerir más espacio o modificar el diseño para optimizar el efecto de enfriamiento.