Technologie PCB - Refroidissement de PCB et dissipation de chaleur de l'emballage IC

L'emballage IC s'appuie sur le PCB pour dissiper la chaleur. En général, les PCB sont la principale méthode de refroidissement des dispositifs semi - conducteurs à haute consommation. Une bonne conception de dissipation de chaleur PCB peut faire une énorme différence. Il peut faire fonctionner le système correctement et peut également enterrer les risques d'accidents thermiques. Une manipulation minutieuse de la disposition du PCB, de la structure de la carte et de la disposition du dispositif peut aider à améliorer les performances thermiques des applications de puissance moyenne à élevée.

Les entreprises de fabrication de semi - conducteurs ont du mal à contrôler les systèmes qui utilisent leurs appareils. Cependant, le système dans lequel l'IC est 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 peut garantir que les IC respectent les normes électriques et les normes de performance, tout en assurant le bon fonctionnement des systèmes de refroidissement des clients. 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 lignes directrices générales pour aider à obtenir de meilleures solutions de refroidissement passif des circuits intégrés et des systèmes.

Les types courants de boîtiers de semi - conducteurs sont les Plots exposés ou les boîtiers powerpadtm. Dans ces boîtiers, la puce est montée sur une feuille métallique appelée plot de noyau. Ce plot de puce supporte la puce lors de son traitement et constitue également un bon chemin thermique pour la dissipation thermique du dispositif. Lorsque les Plots exposés du boîtier sont soudés sur le PCB, la chaleur peut être rapidement dissipée du boîtier et entrer ensuite dans le PCB. Après cela, la chaleur est dissipée dans l'air ambiant à travers chaque couche de PCB. Les boîtiers à Plots exposés conduisent généralement environ 80% de la chaleur qui pénètre dans le PCB par le bas du boîtier. Les 20% restants de la chaleur sont dissipés à travers les fils du dispositif et tous les côtés du boîtier. Moins de 1% de la chaleur est dissipée par le Haut de l'emballage. Pour ces boîtiers de pad exposés, une bonne conception de dissipation thermique de PCB est essentielle pour assurer une certaine performance de l'appareil.

Le premier aspect de la conception de PCB qui peut améliorer les performances thermiques est la disposition des composants de 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 maximise la surface du PCB autour de chaque composant haute puissance, contribuant ainsi à une meilleure conduction thermique. Il faut prendre soin d'isoler les éléments sensibles à la température sur le PCB des éléments de haute puissance. Dans la mesure du possible, les composants haute puissance doivent être installés loin des coins du PCB. Un emplacement plus central du PCB peut maximiser la surface de la carte autour des composants haute puissance, ce qui contribue à la dissipation de la chaleur. La figure 2 montre deux dispositifs semi - conducteurs identiques: les composants a et B. le composant a est situé dans le coin du PCB et la température de jonction de la puce est 5% plus élevée que le composant B, car le composant B est situé plus près du milieu. La dissipation de chaleur aux coins du composant a est limitée en raison de la faible surface de la plaque utilisée pour la dissipation de chaleur autour du composant.

Le deuxième aspect est la structure du PCB, qui a l'influence la plus décisive sur les propriétés thermiques de la conception du PCB. Le principe général est le suivant: plus il y a de cuivre dans le PCB, 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. Cette méthode d'installation n'est pas pratique pour la plupart des applications, nous ne pouvons donc apporter que quelques autres modifications au PCB pour améliorer les performances de dissipation thermique. Pour la plupart des applications actuelles, le volume total du système continue de diminuer, ce qui nuit aux performances de dissipation thermique. Plus le PCB est grand, plus la surface disponible pour la conduction thermique est grande, et il a également une plus grande flexibilité, permettant un espace suffisant entre les composants de forte puissance.

Maximisez autant que possible le nombre et l'épaisseur des plans de masse en cuivre de votre PCB. Le poids du cuivre de la couche de mise à la terre est généralement relativement élevé et c'est un bon chemin thermique pour la dissipation de chaleur de l'ensemble du PCB. La disposition de chaque couche de câblage augmentera également la proportion totale de cuivre utilisée pour la conduction thermique. Cependant, un tel câblage est généralement isolé électriquement et thermiquement, ce qui limite son rôle en tant que couche potentielle de dissipation thermique. Le câblage du plan de masse de l'équipement doit avoir autant de plans de masse que possible pour aider à maximiser la conduction thermique. Les pores de dissipation de chaleur sur le PCB sous le dispositif semi - conducteur aident la chaleur à pénétrer dans la couche enterrée du PCB et à la conduire à l'arrière de la carte.

Pour améliorer les performances de dissipation thermique, les couches supérieure et inférieure du PCB sont des « emplacements dorés». Utilisez des fils plus larges et éloignez - les des appareils à haute puissance pour fournir un chemin thermique pour dissiper la chaleur. La plaque de dissipation de chaleur spéciale est une bonne méthode de dissipation de chaleur PCB. Les plaques chauffantes sont généralement situées en haut ou à l'arrière du PCB et sont connectées à l'appareil par une connexion directe en cuivre ou par une chaleur poreuse. Dans le cas d'un boîtier encastré (boîtier ne comportant que des fils sur les deux côtés), une telle plaque conductrice de la chaleur peut être placée sur le dessus du PCB, en forme d '« os de chien » (aussi étroit que le milieu et le boîtier, et relativement peu éloigné de la zone du boîtier: grand, moyen et petit à chaque extrémité). S'il s'agit d'un boîtier à quatre côtés (avec des fils sur les quatre côtés), la plaque conductrice de chaleur doit être située à l'arrière du PCB ou entrer dans le PCB.

Augmenter la taille des plaques chauffantes est un excellent moyen d’améliorer les performances thermiques des packages powerpad. Différentes tailles de plaques d'isolation ont une grande influence sur les propriétés d'isolation. Les fiches de données du produit fournies sous forme de tableaux énumèrent généralement ces informations dimensionnelles. Cependant, il est difficile de quantifier les effets de l'ajout personnalisé de cuivre aux BPC. À l'aide de certaines calculatrices en ligne, les utilisateurs peuvent choisir un appareil, puis modifier la taille du tapis de cuivre pour estimer son impact sur les performances de dissipation thermique des PCB non jedec. Ces outils de calcul mettent en évidence l'impact de la conception de PCB sur les performances thermiques. Pour un boîtier à quatre côtés, la surface du plot supérieur est juste inférieure à celle du plot exposé du dispositif. Dans ce cas, la couche enterrée ou dorsale est le premier moyen d'obtenir un meilleur refroidissement. Pour les boîtiers à double rangée, nous pouvons utiliser un rembourrage "Dog bone" pour dissiper la chaleur.

Enfin, un système PCB plus grand peut également être utilisé pour le refroidissement. Dans le cas où les vis sont fixées à la plaque conductrice de chaleur et au plan de masse pour la dissipation de chaleur, certaines vis pour le montage de PCB peuvent également constituer un chemin thermique efficace vers la base du système. Compte tenu des effets de conduction thermique et des coûts, le nombre de vis devrait être le maximum pour atteindre le point de rendement décroissant. Après la connexion à la plaque conductrice de chaleur, la plaque de renfort PCB métallique a plus de surface de refroidissement. Pour certaines applications où les PCB sont recouverts de boîtiers, les matériaux de réparation soudés à contrôle de type ont des propriétés thermiques plus élevées que les boîtiers refroidis à l'air. Les solutions de refroidissement, telles que les ventilateurs et les radiateurs, sont également des méthodes courantes de refroidissement des systèmes, mais elles nécessitent généralement plus d'espace ou nécessitent des modifications de conception pour optimiser le refroidissement.