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I pacchetti IC si basano sul PCB per la dissipazione del calore. In generale, la scheda PCB è il metodo di raffreddamento principale per i dispositivi a semiconduttore ad alta potenza. Un buon design di dissipazione del calore PCB ha un grande impatto, può far funzionare bene il sistema, ma può anche seppellire il pericolo nascosto di incidenti termici. Un'attenta gestione del layout PCB, della struttura della scheda e del supporto del dispositivo può aiutare a migliorare le prestazioni di dissipazione del calore per applicazioni di media e alta potenza.
I produttori di semiconduttori hanno difficoltà a controllare i sistemi che utilizzano i loro dispositivi. Tuttavia, un sistema con IC installato è fondamentale per le prestazioni complessive del dispositivo. Per i dispositivi IC personalizzati, il progettista del sistema lavora in genere a stretto contatto con il produttore per garantire che il sistema soddisfi i numerosi requisiti di dissipazione del calore dei dispositivi ad alta potenza. Questa collaborazione precoce garantisce che l'IC soddisfi gli standard elettrici e prestazionali, garantendo al contempo il corretto funzionamento all'interno del sistema di raffreddamento del cliente. Molte grandi aziende di semiconduttori vendono dispositivi come componenti standard e non c'è contatto tra il produttore e l'applicazione finale. In questo caso, possiamo utilizzare solo alcune linee guida generali per contribuire a ottenere una migliore soluzione passiva di dissipazione del calore per IC e sistema.
Come progettare un sistema PCB con alte prestazioni termiche
Il tipo comune di pacchetto semiconduttore è pad nudo o pacchetto PowerPADTM. In queste confezioni, il chip è montato su una piastra metallica chiamata chip pad. Questo tipo di pad chip supporta il chip nel processo di elaborazione del chip ed è anche un buon percorso termico per la dissipazione del calore del dispositivo. Quando il pad nudo confezionato viene saldato al PCB, il calore viene rapidamente espulso dalla confezione e nel PCB. Il calore viene poi dissipato attraverso gli strati PCB nell'aria circostante. I pacchetti di pad nudi in genere trasferiscono circa l'80% del calore nel PCB attraverso il fondo della confezione. Il restante 20% del calore viene emesso attraverso i cavi del dispositivo e i vari lati della confezione. Meno dell'1% del calore fuoriesce dalla parte superiore della confezione. Nel caso di questi pacchetti bare-pad, un buon design di dissipazione del calore PCB è essenziale per garantire determinate prestazioni del dispositivo.
Un aspetto della progettazione PCB che può migliorare le prestazioni termiche è il layout del dispositivo PCB. Ove possibile, i componenti ad alta potenza sul PCB dovrebbero essere separati l'uno dall'altro. Questa separazione fisica tra componenti ad alta potenza consente di regionalizzare l'area PCB intorno a ciascun componente ad alta potenza, il che aiuta a ottenere un migliore trasferimento di calore. Occorre prestare attenzione a separare i componenti sensibili alla temperatura dai componenti ad alta potenza sul PCB. Ove possibile, i componenti ad alta potenza dovrebbero essere posizionati lontano dagli angoli del PCB. Una posizione PCB più intermedia consente una maggiore area della scheda intorno ai componenti ad alta potenza per aiutare nella dissipazione del calore. La figura 2 mostra due dispositivi semiconduttori identici: i componenti A e B. Il componente A, situato all'angolo del PCB, ha una temperatura di giunzione del chip A superiore del 5% rispetto al componente B, che è posizionato più centralmente. La dissipazione del calore all'angolo del componente A è limitata dalla più piccola area del pannello intorno al componente utilizzato per la dissipazione del calore.
Il secondo aspetto è la struttura del PCB, che ha un'influenza decisiva sulle prestazioni termiche della progettazione del PCB. Come regola generale, più rame ha il PCB, più elevate sono le prestazioni termiche dei componenti del sistema. La situazione ideale di dissipazione del calore per i dispositivi a semiconduttore è che il chip è montato su un grande blocco di rame raffreddato a liquido. Questo non è pratico per la maggior parte delle applicazioni, quindi abbiamo dovuto apportare altre modifiche al PCB per migliorare la dissipazione del calore. Per la maggior parte delle applicazioni oggi, il volume totale del sistema si sta restringendo, influenzando negativamente le prestazioni di dissipazione del calore. I PCB più grandi hanno più superficie che può essere utilizzata per il trasferimento di calore, ma hanno anche più flessibilità per lasciare spazio sufficiente tra i componenti ad alta potenza.
Ove possibile, il numero e lo spessore dello strato di rame PCB dovrebbero essere modificati. Il peso del rame di messa a terra è generalmente grande, che è un eccellente percorso termico per l'intera dissipazione del calore PCB. La disposizione del cablaggio degli strati aumenta anche il peso specifico totale del rame utilizzato per la conduzione del calore. Tuttavia, questo cablaggio è solitamente isolato elettricamente, limitandone l'uso come potenziale dissipatore di calore. Lo strato di giunzione del dispositivo deve essere collegato il più elettricamente possibile a più strati di giunzione possibile per aiutare nella conduzione del calore. I fori di dissipazione del calore nel PCB sotto il dispositivo a semiconduttore aiutano il calore ad entrare negli strati incorporati del PCB e a trasferirsi sul retro della scheda.
Gli strati superiore e inferiore di un PCB sono "posizioni prime" per migliorare le prestazioni di raffreddamento. L'utilizzo di fili più ampi e il routing lontano da dispositivi ad alta potenza può fornire un percorso termico per la dissipazione del calore. Il bordo speciale di conduzione del calore è un metodo eccellente per la dissipazione del calore PCB. La piastra termica conduttiva si trova sulla parte superiore o posteriore del PCB ed è
collegato termicamente al dispositivo attraverso un collegamento diretto in rame o un foro termico passante. Nel caso di imballaggi in linea (solo con cavi su entrambi i lati della confezione), la piastra di conduzione termica può essere posizionata sulla parte superiore del PCB, a forma di "osso di cane" (il mezzo è stretto come il pacchetto, il rame lontano dalla confezione ha una grande area, piccola nel mezzo e grande alle due estremità). Nel caso di pacchetto a quattro lati (con cavi su tutti e quattro i lati), la piastra di conduzione termica deve essere posizionata sul retro del PCB o all'interno del PCB.
Aumentare le dimensioni della piastra di conduzione termica è un modo eccellente per migliorare le prestazioni termiche dei pacchetti PowerPAD. La dimensione differente della piastra di conduzione del calore ha grande influenza sulle prestazioni termiche. Di solito una scheda tecnica del prodotto elenca queste dimensioni. Ma quantificare l'impatto del rame aggiunto sui PCB personalizzati è difficile. Con le calcolatrici online, gli utenti possono selezionare un dispositivo e modificare le dimensioni del pad di rame per stimare il suo effetto sulle prestazioni termiche di un PCB non JEDEC. Questi strumenti di calcolo evidenziano in che misura la progettazione PCB influenza le prestazioni di dissipazione del calore. Per i pacchetti a quattro lati, dove l'area del pad superiore è appena inferiore all'area nuda del pad del dispositivo, incorporazione o strato posteriore è il primo metodo per ottenere un migliore raffreddamento. Per i pacchetti in linea doppi, possiamo utilizzare lo stile pad "osso del cane" per dissipare il calore.
I sistemi PCB più grandi possono essere utilizzati anche per il raffreddamento. Le viti utilizzate per montare il PCB possono anche fornire un efficace accesso termico alla base del sistema quando sono collegate alla piastra termica e allo strato di terra. Considerando la conducibilità termica e il costo, il numero di viti dovrebbe raggiungere il punto di ritorno decrescente. L'irrigiditore PCB metallico ha più area di raffreddamento dopo essere stato collegato alla piastra termica. Per alcune applicazioni in cui l'alloggiamento PCB ha un guscio, il materiale patch di saldatura TIPO B ha una prestazione termica superiore rispetto al guscio raffreddato ad aria. Le soluzioni di raffreddamento, come ventilatori e alette, sono comunemente utilizzate anche per il raffreddamento del sistema, ma spesso richiedono più spazio o richiedono modifiche progettuali per ottimizzare il raffreddamento.
Per progettare un sistema con alte prestazioni termiche, non è sufficiente scegliere un buon dispositivo IC e una soluzione chiusa. La pianificazione delle prestazioni di raffreddamento IC dipende dal PCB e dalla capacità del sistema di raffreddamento per consentire ai dispositivi IC di raffreddarsi rapidamente. Il metodo di raffreddamento passivo menzionato sopra può migliorare notevolmente le prestazioni di dissipazione del calore del sistema.
