PCB Tecnico - Spiega in dettaglio l'ultima tecnologia della scheda PCB

La sfida della gestione termica diventerà ancora più scoraggiante quando si tratta di installare schede PCB contenenti processori multi-core. Sebbene ogni nucleo del processore nell'array del processore possa consumare meno energia e quindi dissipare meno calore di un processore single-core, l'effetto netto sui grandi server del computer è quello di aggiungere di più al sistema informatico nel centro dati dissipazione di calore. In breve, eseguire più core del processore su una data area del PCB.

Un altro spinoso problema di gestione termica IC riguarda punti caldi che appaiono sulla confezione del chip. Il flusso di calore può essere alto fino a 1000Wcm2, che è uno stato difficile da tracciare.

PCB svolge un ruolo importante nella gestione termica, quindi è richiesto il layout di progettazione termica. I progettisti dovrebbero tenere i componenti ad alta potenza il più lontano possibile l'uno dall'altro. Inoltre, questi componenti ad alta potenza dovrebbero essere il più lontano possibile dagli angoli del PCB, il che contribuirà a massimizzare l'area PCB intorno ai componenti di potenza e ad accelerare la dissipazione del calore.

Saldare il pad di alimentazione esposto al PCB è una pratica comune. In generale, il pad di alimentazione del tipo pad esposto può condurre circa l'80% del calore generato attraverso il fondo del pacchetto IC e nel PCB. Il calore rimanente verrà dissipato dai lati e dai cavi della confezione.

Gli ingegneri di progettazione PCB assistenti termici possono ora rivolgersi a molti prodotti di gestione termica migliorati per aiuto. Questi prodotti includono radiatori, tubi di calore e ventilatori, che possono essere utilizzati per ottenere convezione attiva e passiva, radiazione e raffreddamento di conduzione. Anche il metodo di interconnessione di montaggio dei chip sul PCB aiuta ad alleviare il problema della dissipazione del calore.

Ad esempio, il metodo comune del pad esposto utilizzato per collegare i chip IC ai PCB può aumentare i problemi di dissipazione del calore. Quando il percorso esposto viene saldato al PCB, il calore fuoriuscirà rapidamente dal pacchetto e entrerà nella scheda PCB, quindi si disperderà nell'aria circostante attraverso i vari strati della scheda PCB.

Texas Instruments TI ha inventato un metodo PowerPAD che può montare la matrice IC su un disco metallico. Questo cuscinetto della matrice sosterrà la matrice durante il processo di fabbricazione e agirà come un buon percorso di dissipazione del calore per dissipare il calore dal chip.

Matt Romig, responsabile del prodotto di imballaggio analogico di TI, ha sottolineato che il metodo PowerStack di TI€™ è la prima tecnologia di imballaggio 3D in grado di impilare MOSFET verticali di alto livello. Questa tecnologia integra MOSFET lato alto e lato basso fissati in posizione da clip in rame e utilizza pad esposti potenziali a terra per fornire design ottimizzati termicamente. L'uso di due clip in rame per collegare i pin di tensione in ingresso e in uscita può formare un pacchetto QFN piatto quadrato senza piombo più integrato. La gestione termica dei dispositivi di alimentazione è più impegnativa. La necessità di un'elaborazione del segnale ad alta frequenza e di dimensioni ridotte del pacchetto ha gradualmente marginalizzato la tecnologia di raffreddamento tradizionale. KaverAzar, Presidente e CEO di AdvancedThermalSolutions, ha suggerito di utilizzare dispositivi termoelettrici a film sottile incorporati con microcanali raffreddati ad acqua.

Azar ha concepito una soluzione del genere: ridurre al minimo la massima resistenza termica nel percorso di dissipazione del calore, la resistenza termica della diffusione, legando un dissipatore di calore direttamente alla matrice del microprocessore.

Questo metodo può dissipare il calore accumulato sul piccolo microprocessore die ad una base più grande del dissipatore di calore, e quindi dissipare il calore all'ambiente circostante. Questo dissipatore di calore forzato integrato integra micro-canali e mini-canali in un pacchetto di silicio. La portata dell'acqua nel canale è di circa 05 a 1 litro min.

I risultati della simulazione mostrano che, sullo stampo 1010mm nel pacchetto BGA della griglia a sfera, un'area del telaio del dissipatore di calore 120120mm può produrre una resistenza termica di 0055KW. L'uso di materiali di dissipazione del calore con conducibilità termica pari o superiore al diamante può produrre una resistenza termica di 0030KW.

Paul Magill, vicepresidente marketing e sviluppo aziendale di Nextreme Thermal Solutions, ha raccomandato anche la tecnologia di raffreddamento termoelettrico e ha dichiarato che il raffreddamento dovrebbe iniziare a livello di chip. L'azienda fornisce tecnologie di gestione termica localizzate all'interno di componenti elettronici. Questa tecnologia utilizza una struttura eTEC termoelettrica a microfilm chiamata pompa di calore. Questo materiale attivo di dissipazione del calore è incorporato in interconnessioni flip chip come urti della saldatura del pilastro di rame per l'uso in imballaggi elettronici.

Il raffreddamento localizzato a livello di chip wafer, die e pacchetto può produrre importanti benefici economici. Ad esempio, in un data center con migliaia o centinaia di microprocessori avanzati, questo metodo è più efficiente che utilizzare un sistema di climatizzazione più costoso e più grande per dissipare il calore.

In alcuni dispositivi come i LED, l'uso combinato di tecnologie di raffreddamento passivo e attivo può migliorare le prestazioni e la durata del dispositivo. Ad esempio, l'utilizzo di una ventola in un radiatore può generalmente ridurre la resistenza termica a 05W, che è un miglioramento significativo rispetto ai tipici 10W ottenuti utilizzando un radiatore di raffreddamento passivo da solo.

La simulazione ripetuta del controllo termico è stata e continuerà ad essere uno dei fattori limitanti per ottenere prestazioni IC più elevate. In questi IC sempre più piccoli e nei loro pacchetti, lo spazio sta diventando sempre più prezioso e non c'è quasi più spazio per aiutare con il raffreddamento. Questo costringe i progettisti a considerare l'uso della tecnologia di raffreddamento esterna e di nuovi materiali di raffreddamento continuamente migliorati.

In ogni caso, la premessa di base è ancora vera: gli ingegneri di progettazione PCB devono prestare maggiore attenzione alla scienza termica per ottenere soluzioni di raffreddamento ottimali. L'intero processo dovrebbe iniziare con il software di analisi termica, che è molto prima di quando il progetto viene messo in produzione.