PCB Tecnico - Gli elementi essenziali dell'uso di dissipazione del calore della scheda PCB e strategie di imballaggio IC

I pacchetti IC per montaggio superficiale si basano su circuiti stampati per la dissipazione del calore. In generale, i PCB sono il metodo di raffreddamento primario per i dispositivi a semiconduttore ad alta potenza. Un buon design termico PCB ha un impatto enorme, può mantenere il sistema funzionante bene e può anche seppellire il pericolo nascosto di incidenti termici. Un'attenta gestione del layout PCB, della costruzione della scheda e del posizionamento del dispositivo può aiutare a migliorare le prestazioni termiche nelle applicazioni di media e alta potenza.

Le aziende produttrici di semiconduttori hanno difficoltà a controllare i sistemi in cui vengono utilizzati i loro dispositivi. Tuttavia, il sistema in cui è montato l'IC è fondamentale per le prestazioni complessive del dispositivo. Per i dispositivi IC personalizzati, il progettista del sistema lavora spesso a stretto contatto con il produttore per garantire che il sistema soddisfi i numerosi requisiti termici dei dispositivi ad alta potenza. Questa collaborazione precoce garantisce che l'IC soddisfi gli standard elettrici e prestazionali mantenendo il corretto funzionamento all'interno del sistema di raffreddamento del cliente. Molte grandi aziende di semiconduttori vendono i loro dispositivi come parti standard, senza alcun 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 di raffreddamento passivo per IC e sistemi.

I tipi comuni di pacchetti semiconduttori sono pacchetti in stile pad o PowerPADTM esposti. In queste confezioni, il chip è attaccato a un pezzo di metallo chiamato dado pad. Questo pad chip supporta il chip durante l'elaborazione del chip ed è anche un buon percorso termico per la dissipazione del calore del dispositivo. Quando il pad esposto del pacchetto viene saldato al PCB, il calore può rapidamente dissiparsi dal pacchetto e nel PCB. Successivamente, il calore viene dissipato attraverso i vari strati di PCB e nell'aria circostante. I pacchetti a pad esposti tipicamente conducono circa l'80% del calore che entra nel PCB attraverso il fondo della confezione. Il restante 20% viene dissipato attraverso i cavi del dispositivo e tutti i lati della confezione. Meno dell'1% del calore viene dissipato attraverso la parte superiore della confezione. Per questi pacchetti pad esposti, una buona progettazione termica PCB è fondamentale 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 l'area PCB intorno a ciascun componente ad alta potenza per contribuire a ottenere un migliore trasferimento di calore. Occorre prestare attenzione ad isolare i componenti sensibili alla temperatura dai componenti di dissipazione ad alta potenza sul PCB. Ove possibile, i componenti ad alta potenza dovrebbero essere montati lontano dagli angoli del PCB. Una posizione PCB più centrale consente di ridurre al minimo l'area della scheda intorno ai componenti affamati di energia per aiutare a dissipare il calore. Il secondo aspetto è la struttura del PCB, un aspetto che ha un'influenza decisiva sulle prestazioni termiche del design PCB. La regola generale è che più rame ha il PCB, migliori sono le prestazioni termiche dei componenti del sistema. La situazione ideale di dissipazione del calore per i dispositivi a semiconduttore è quando lo stampo è montato su un grande pezzo di rame raffreddato a liquido. Per la maggior parte delle applicazioni, questo metodo di posizionamento non è pratico, quindi possiamo apportare solo alcune altre modifiche al PCB per migliorare le prestazioni termiche. Per la maggior parte delle applicazioni oggi, le dimensioni complessive del sistema stanno diminuendo, influenzando negativamente le prestazioni termiche. Più grande è il PCB, maggiore è l'area disponibile per la conduzione del calore e maggiore flessibilità per lasciare spazio sufficiente tra i componenti ad alta potenza. Quando possibile, ottimizzare il numero e lo spessore dei piani di terra in rame PCB. Il rame piano terra è generalmente pesante ed è un eccellente percorso termico per la dissipazione del calore in tutto il PCB. Disporre il cablaggio per ogni strato aumenta anche la proporzione complessiva di rame utilizzato per la conduzione del calore. Tuttavia, questo routing viene solitamente fatto in isolamento elettrico e termico, limitando il suo ruolo come potenziale dissipatore di calore. Il piano di terra del dispositivo deve essere instradato elettricamente il maggior numero possibile di piani di terra per aiutare nella conduzione termica. Le vie termiche sul PCB sotto il dispositivo a semiconduttore aiutano il calore ad entrare negli strati sepolti del PCB e conducono al retro della scheda. Gli strati superiori e inferiori di un PCB sono il "terreno dorato" per migliorare le prestazioni termiche. L'utilizzo di fili più ampi, deviati dai dispositivi ad alta potenza, può fornire un percorso termico per la dissipazione del calore. I pad termici dedicati sono un modo eccellente per dissipare il calore da un PCB. Le pastiglie termiche sono tipicamente situate sulla parte superiore o posteriore del PCB e sono collegate termicamente al dispositivo tramite connessioni dirette in rame o vie termiche. Nel caso di pacchetti in linea (pacchetti con cavi solo su entrambi i lati), questo pad termico può essere posizionato sulla parte superiore del PCB, a forma di "osso di cane" (il mezzo è stretto come il pacchetto, e l'area di rame di collegamento lontano dal pacchetto è più grande. grande, piccolo nel mezzo e grande alle due estremità). Nel caso di un pacchetto a quattro lati (con cavi su tutti e quattro i lati), il pad termico deve essere sul retro del PCB o nel PCB.Aumentare le dimensioni del pad termico è un modo eccellente per migliorare le prestazioni termiche di un pacchetto in stile PowerPAD. Le diverse dimensioni termicamente conduttive delle piastre hanno un effetto drammatico sulle prestazioni termiche. Le schede tecniche dei prodotti fornite in forma di tabella elencano tipicamente queste dimensioni. Tuttavia, è difficile quantificare l'impatto del rame aggiunto di un PCB personalizzato. Utilizzando alcune calcolatrici online, l'utente può selezionare un dispositivo e quindi modificare le dimensioni dei pad di rame per stimare il suo impatto sulle prestazioni termiche di un PCB non JEDEC. Questi strumenti di calcolo evidenziano in che misura la progettazione PCB influisce sulle prestazioni termiche. Per un pacchetto a quattro lati, l'area superiore del pad è appena più piccola dell'area esposta del pad del dispositivo, nel qual caso uno strato interrato o posteriore è il primo modo per ottenere un migliore raffreddamento. Per i pacchetti in linea doppi, possiamo utilizzare un modello di pad "osso del cane" per dissipare il calore. Alcune delle viti utilizzate per montare il PCB possono anche essere un efficace percorso termico alla base del sistema dove le viti sono collegate termicamente al pad termico e al piano di terra. Il numero di viti dovrebbe essere un valore che raggiunge il punto di rendimenti decrescenti, considerando la conducibilità termica e il costo. L'irrigiditore PCB metallico ha più area di raffreddamento dopo essere stato attaccato alla piastra termicamente conduttiva. Per alcune applicazioni in cui il PCB è coperto da un involucro, il filetto di saldatura profilato ha prestazioni termiche superiori rispetto a un involucro raffreddato ad aria. Le soluzioni di raffreddamento come ventilatori e dissipatori di calore sono anche metodi comuni di 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 termiche di un IC dipende dalla scheda PCB e dalla capacità del sistema di raffreddamento di raffreddare rapidamente il dispositivo IC. Utilizzando il metodo di raffreddamento passivo di cui sopra, le prestazioni di dissipazione del calore del sistema possono essere notevolmente migliorate.