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L'emballage IC s'appuie sur le PCB pour dissiper la chaleur. En général, les cartes PCB sont la principale méthode de refroidissement des dispositifs semi - conducteurs de haute puissance. Une bonne conception de dissipation de chaleur de PCB a un grand impact, elle peut faire fonctionner le système bien et peut également enterrer les risques cachés d'accidents thermiques. Une manipulation minutieuse de la disposition du PCB, de la structure de la carte et de l'installation de l'équipement peut aider à améliorer les performances de dissipation thermique pour les applications de puissance moyenne et élevée.
Les fabricants de semi - conducteurs ont du mal à contrôler les systèmes qui utilisent leurs appareils. Cependant, un système avec un IC installé est essentiel à la performance globale de l'appareil. Pour les dispositifs IC personnalisés, les concepteurs de systèmes travaillent souvent en étroite collaboration avec les fabricants pour s'assurer que le système répond aux nombreuses exigences de dissipation thermique des dispositifs haute puissance. Cette collaboration précoce garantit que les ci répondent aux normes électriques et de performance, tout en assurant un fonctionnement correct au sein du système de refroidissement du client. De nombreuses grandes entreprises de semi - conducteurs vendent des dispositifs en tant que composants standard, sans aucun lien entre le fabricant et l'application finale. Dans ce cas, nous ne pouvons utiliser que quelques directives générales pour aider à obtenir de meilleures solutions de dissipation de chaleur passive pour les IC et les systèmes.
Comment concevoir un système PCB avec des performances thermiques élevées
Les types de boîtiers de semi - conducteurs courants sont les boîtiers Bare pad ou powerpadtm. Dans ces boîtiers, la puce est montée sur une plaque métallique appelée plot de puce. De tels plots de puce soutiennent la puce pendant le processus de traitement de la puce et sont également un bon canal thermique pour la dissipation de chaleur du dispositif. Lorsque les Plots nus du boîtier sont soudés sur le PCB, la chaleur est rapidement évacuée du boîtier et pénètre dans le PCB. La chaleur est ensuite dissipée dans l'air ambiant à travers la couche de PCB. Un boîtier à Plots nus transfère généralement environ 80% de la chaleur dans le PCB via le fond du boîtier. Les 20% restants de la chaleur sont dissipés à travers les fils du dispositif et les différents côtés du boîtier. Moins de 1% de la chaleur s'échappe par le Haut de l'emballage. Dans le cas de ces boîtiers à Plots nus, une bonne conception de dissipation thermique de PCB est essentielle pour assurer une certaine performance de l'appareil.
Un aspect de la conception de PCB qui peut améliorer les performances thermiques est la disposition des dispositifs PCB. Dans la mesure du possible, les composants de haute puissance sur le PCB doivent être séparés les uns des autres. Cette séparation physique entre les composants haute puissance permet de régionaliser la zone PCB autour de chaque composant haute puissance, ce qui contribue à un meilleur transfert de chaleur. Il faut prendre soin de séparer les éléments sensibles à la température sur le PCB des éléments de forte puissance. Dans la mesure du possible, les composants à haute puissance doivent être éloignés des coins du PCB. La position plus médiane du PCB permet une plus grande surface de plaque autour des composants haute puissance pour aider à dissiper la chaleur. La figure 2 montre deux dispositifs semi - conducteurs identiques: les composants a et B. la température de jonction de la puce du composant a situé dans le coin du PCB est 5% plus élevée que celle du composant B situé plus au Centre. La dissipation de chaleur aux coins de la pièce a est limitée par une surface de panneau plus petite autour de la pièce utilisée pour la dissipation de chaleur.
Le deuxième aspect est la structure du PCB, qui a une influence décisive sur les propriétés thermiques de la conception du PCB. En général, plus un PCB contient de cuivre, plus les performances thermiques des composants du système sont élevées. La situation idéale de dissipation de chaleur pour les dispositifs semi - conducteurs est de monter la puce sur un grand morceau de cuivre refroidi par liquide. Ce n'est pas pratique pour la plupart des applications, nous avons donc dû apporter d'autres modifications au PCB pour améliorer la dissipation thermique. Pour la plupart des applications actuelles, le volume total du système diminue, ce qui nuit aux performances de dissipation thermique. Les PCBs plus grands ont plus de surface disponible pour le transfert de chaleur, mais ont également une plus grande flexibilité pour laisser suffisamment d'espace entre les composants à haute puissance.
Dans la mesure du possible, le nombre et l'épaisseur de la couche de cuivre du PCB doivent être modifiés. Le poids du cuivre mis à la terre est généralement plus grand, ce qui est un bon chemin thermique pour la dissipation de chaleur de l'ensemble du PCB. La disposition du câblage des couches augmente également la densité totale du cuivre pour la conduction thermique. Cependant, ce câblage est généralement électriquement isolant, ce qui limite son utilisation en tant que dissipateur thermique potentiel. La couche de jonction du dispositif doit être connectée électriquement à autant de couches de jonction que possible pour aider à la conduction thermique. Les trous de dissipation de chaleur sur le PCB sous le dispositif semi - conducteur aident la chaleur à pénétrer dans la couche intercalaire du PCB et à la transférer vers la face arrière de la carte.
Les couches supérieure et inférieure du PCB sont le « meilleur endroit» pour améliorer les performances de refroidissement. L'utilisation de fils plus larges et d'un câblage éloigné des appareils à haute puissance peut fournir un chemin thermique pour dissiper la chaleur. La plaque conductrice de chaleur dédiée est une bonne méthode de dissipation de chaleur PCB. La plaque conductrice de chaleur est située en haut ou à l'arrière du PCB
Il est relié thermiquement au dispositif par une connexion directe en cuivre ou par des Vias thermiques. Dans le cas d'un boîtier en ligne (avec des fils uniquement des deux côtés du boîtier), la plaque conductrice de la chaleur peut être située sur le dessus du PCB, en forme d'os de chien (aussi étroit que le milieu et le boîtier, avec une grande surface de cuivre à l'écart du boîtier, petit Au milieu et grand aux deux extrémités). S'il s'agit d'un boîtier à quatre côtés (avec des fils sur les quatre côtés), la plaque conductrice thermique doit être située à l'arrière ou à l'intérieur du PCB.
Augmenter la taille des plaques conductrices de chaleur est un excellent moyen d’améliorer les performances thermiques des boîtiers powerpad. Les plaques conductrices de chaleur de différentes tailles ont une grande influence sur les performances thermiques. Tableaux les fiches de données des produits énumèrent généralement ces tailles. Mais il est difficile de quantifier l'impact de l'ajout de cuivre sur les PCBs personnalisés. À l'aide d'une calculatrice en ligne, les utilisateurs peuvent choisir un appareil et modifier la taille des plots de cuivre pour estimer leur impact sur les performances thermiques des PCB non jedec. Ces outils de calcul mettent en évidence l'impact de la conception de PCB sur les performances de dissipation thermique. Pour un boîtier à quatre côtés où la surface du plot supérieur est juste inférieure à la surface du plot nu du dispositif, l'encastrement ou la couche arrière est la première façon d'obtenir un meilleur refroidissement. Pour les boîtiers à double rangée, nous pouvons utiliser un rembourrage "Dog bone" pour dissiper la chaleur.
Un système PCB plus grand peut également être utilisé pour le refroidissement. Les vis utilisées pour monter le PCB peuvent également fournir un accès thermique efficace à la base du système lorsqu'elles sont connectées à une plaque de dissipation thermique et à une couche de terre. Compte tenu de la conductivité thermique et du coût, le nombre de vis devrait atteindre un rendement décroissant. Le renfort PCB métallique a plus de surface de refroidissement après avoir été connecté à la plaque dissipateur de chaleur. Pour certaines applications où les boîtiers de PCB ont des boîtiers, les matériaux de patch de soudure de type B ont des propriétés thermiques plus élevées que les boîtiers refroidis par air. Les solutions de refroidissement, telles que les ventilateurs et les ailettes de refroidissement, sont également couramment utilisées pour le refroidissement du système, mais elles nécessitent généralement plus d'espace ou nécessitent des modifications de conception pour optimiser le refroidissement.
Pour concevoir un système avec des performances thermiques élevées, il ne suffit pas de choisir un bon dispositif IC et une solution fermée. La planification des performances de refroidissement IC dépend de la capacité du circuit imprimé et du système de refroidissement pour permettre un refroidissement rapide des équipements IC. Le procédé de refroidissement passif décrit ci - dessus permet d'améliorer considérablement les performances de dissipation thermique du système.
