Dati PCB - Tecnologia di raffreddamento PCB e strategia di imballaggio IC

È difficile per le aziende produttrici di semiconduttori controllare i sistemi che utilizzano i loro dispositivi. Tuttavia, il sistema con dispositivi IC è fondamentale per le prestazioni complessive del dispositivo. Per i dispositivi IC personalizzati, i progettisti di sistemi di solito lavorano a stretto contatto con i produttori per garantire che il sistema soddisfi molti requisiti di raffreddamento dei dispositivi ad alto consumo energetico.

Questa cooperazione reciproca precoce può garantire che i dispositivi IC soddisfino gli standard elettrici e gli standard di prestazione, garantendo al contempo il normale funzionamento nel sistema di raffreddamento del cliente. Molte grandi aziende di semiconduttori vendono dispositivi con parti standard e non c'è contatto tra produttori e applicazioni terminali. In questo caso, possiamo utilizzare solo alcune linee guida generali per contribuire a ottenere una migliore soluzione di raffreddamento passivo per IC e sistema. Figura 1 PowerPad DesignIl primo aspetto della progettazione PCB che può migliorare le prestazioni termiche è il layout di progettazione PCB. Ove possibile, i componenti ad alto consumo energetico sul PCB dovrebbero essere separati l'uno dall'altro. Questa spaziatura fisica tra componenti ad alto consumo energetico massimizza l'area del PCB intorno a ogni componente ad alto consumo energetico, contribuendo così a una migliore conduzione del calore. Occorre prestare attenzione ad isolare i componenti sensibili alla temperatura sul PCB dai componenti ad alto consumo energetico. Ove possibile, i componenti ad alto consumo energetico dovrebbero essere installati lontano dagli angoli PCB.

La posizione più centrale del PCB può massimizzare l'area della scheda intorno ai componenti ad alto consumo energetico per aiutare la dissipazione del calore. La figura 2 mostra due dispositivi a semiconduttore identici: i componenti A e B. Il componente A si trova all'angolo della progettazione PCB e c'è una temperatura di giunzione del chip del 5% superiore a quella del componente B, perché la posizione del componente B è più vicina al centro. Poiché l'area intorno al componente per la dissipazione del calore è più piccola, la dissipazione del calore all'angolo del componente A è limitata.

Fig. 2 Effetto della disposizione dei componenti sulle prestazioni termiche. La temperatura del chip dell'assemblea angolare PCB è superiore a quella dell'assemblea intermedia. Il secondo aspetto è la struttura del PCB, che ha l'influenza più decisiva sulle prestazioni termiche della progettazione PCB. Il principio generale è che più rame nel PCB, maggiore è la prestazione termica dei componenti del sistema.

La condizione ideale di dissipazione del calore dei dispositivi a semiconduttore è che il chip è montato su un grande pezzo di rame raffreddato a liquido. Per la maggior parte delle applicazioni, questo metodo di montaggio non è pratico, quindi possiamo solo apportare alcune altre modifiche al PCB per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore. Per la maggior parte delle applicazioni oggi, il volume totale del sistema continua a ridursi, con un impatto negativo sulle prestazioni termiche. Un PCB più grande ha un'area più ampia che può essere utilizzata per la conduzione del calore e ha anche una maggiore flessibilità, lasciando spazio sufficiente tra i componenti ad alto consumo energetico. Quando possibile, massimizzare il numero e lo spessore degli strati di messa a terra in rame PCB. Il peso del rame piano terra è generalmente grande ed è un percorso di calore eccellente per l'intero PCB per dissipare il calore.

Per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore, gli strati superiori e inferiori del PCB sono "posizioni dorate". L'uso di fili più larghi e il cablaggio lontano da dispositivi ad alto consumo energetico può fornire un percorso di riscaldamento per la dissipazione del calore. La piastra speciale di conduzione del calore è un metodo eccellente per la dissipazione del calore PCB. La piastra di conduzione del calore è generalmente situata sulla parte superiore o posteriore del PCB ed è collegata termicamente al dispositivo tramite connessione diretta in rame o foro passante termico.

Nel caso di imballaggi in linea (solo l'imballaggio con cavi su entrambi i lati), questa piastra di conduzione termica può essere posizionata sulla parte superiore del PCB e la sua forma è come un "osso di cane" (il mezzo è piccolo quanto il pacchetto, l'area di rame collegata lontano dal pacchetto è grande, e il mezzo è piccolo e le due estremità sono grandi). Nel caso di confezioni a quattro lati (ci sono cavi su tutti e quattro i lati), la piastra di trasferimento termico deve essere posizionata sul retro del PCB o entrare nel PCB.

Figura 3 Esempio di metodo "dog bone" per il doppio imballaggio in linea Aumentare le dimensioni della piastra conduttrice termica è un modo eccellente per migliorare le prestazioni termiche degli imballaggi PowerPad. Le diverse dimensioni delle piastre conduttrici termiche hanno grande influenza sulle prestazioni termiche. La scheda tecnica del prodotto fornita in forma tabellare elenca generalmente queste dimensioni. Tuttavia, è difficile quantificare l'impatto del rame aggiunto ai PCB personalizzati. Con alcune calcolatrici online, gli utenti possono selezionare un dispositivo e quindi modificare le dimensioni del pad di rame per stimare il suo impatto sulle prestazioni termiche del PCB non JEDEC. Questi strumenti di calcolo evidenziano l'influenza della progettazione PCB sulle prestazioni di dissipazione del calore. Per il pacchetto a quattro lati, l'area del pad superiore è appena più piccola dell'area del pad nudo del dispositivo. In questo caso, il primo modo per ottenere un migliore raffreddamento è seppellire o strato posteriore. Per il doppio pacchetto in linea, possiamo utilizzare lo stile del pad "osso del cane" per dissipare il calore.

Infine, i sistemi con PCB più grandi possono essere utilizzati anche per il raffreddamento. Quando la dissipazione del calore della vite è collegata alla piastra di conduzione del calore e al piano di terra, alcune viti utilizzate per installare il PCB possono anche diventare percorsi di calore efficaci alla base del sistema. Considerando l'effetto di conduzione del calore e il costo, il numero di viti dovrebbe essere il valore massimo per raggiungere il punto di ritorno decrescente. Dopo il collegamento alla piastra di conduzione del calore, la piastra di rinforzo del PCB del metallo ha più area di raffreddamento. Per alcune applicazioni in cui la copertura PCB ha un alloggiamento, il materiale di riparazione della saldatura a controllo di tipo ha prestazioni termiche superiori rispetto all'alloggiamento raffreddato ad aria. Le soluzioni di raffreddamento, come ventilatori e dissipatori di calore, sono anche metodi comuni di raffreddamento del sistema, ma di solito richiedono più spazio, o hanno bisogno di modificare il design per ottimizzare l'effetto di raffreddamento.

Per progettare un sistema con alte prestazioni termiche, è lungi dall'essere sufficiente scegliere un buon dispositivo IC e una soluzione chiusa. La pianificazione delle prestazioni termiche dei dispositivi IC dipende dalla capacità del PCB e dal sistema termico che consente ai dispositivi IC di raffreddarsi rapidamente. Il metodo di raffreddamento passivo può migliorare notevolmente le prestazioni di dissipazione del calore del sistema.