PCB Tecnico - Hai imparato la tecnologia di raffreddamento PCB?

Il pacchetto IC si basa sul PCB per dissipare il calore. In generale, il PCB è il metodo di raffreddamento principale per i dispositivi semiconduttori ad alto consumo energetico. Un buon design di dissipazione del calore PCB ha un impatto enorme. Può far funzionare bene il sistema e può anche seppellire i pericoli nascosti degli incidenti termici. Un'attenta gestione del layout PCB, della struttura della scheda e del posizionamento del dispositivo può aiutare a migliorare le prestazioni termiche delle applicazioni di potenza medio-alta.

È difficile per le aziende produttrici di semiconduttori controllare i sistemi che utilizzano i loro dispositivi. Tuttavia, il sistema in cui è installato l'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 i molti requisiti di dissipazione del calore dei dispositivi ad alta potenza. Questa collaborazione precoce può garantire che l'IC soddisfi gli standard elettrici e gli standard prestazionali, garantendo al contempo il normale funzionamento nel sistema di raffreddamento del cliente. Molte grandi aziende di semiconduttori vendono dispositivi come parti 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 IC e sistema di raffreddamento passivo.

I tipi comuni di pacchetti semiconduttori sono pad esposti o pacchetto PowerPADTM. In queste confezioni, il chip è montato su una lamiera di metallo chiamata 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 dissiparsi rapidamente dal pacchetto e quindi entrare nel PCB. Successivamente, il calore viene dissipato attraverso ogni strato di PCB e nell'aria circostante. I pacchetti pad esposti generalmente conducono circa l'80% del calore, che entra nel PCB attraverso il fondo della confezione. Il restante 20% del calore 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, un buon design di dissipazione del calore PCB è essenziale per garantire determinate prestazioni del dispositivo.

Il primo 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 massimizza l'area PCB intorno a ciascun componente ad alta potenza, contribuendo così a ottenere una migliore conduzione del calore. Occorre prestare attenzione a isolare i componenti sensibili alla temperatura sul PCB da componenti ad alta potenza. Ove possibile, la posizione di installazione dei componenti ad alta potenza dovrebbe essere lontana dagli angoli del PCB. Una posizione PCB più centrale può massimizzare l'area della scheda intorno ai componenti ad alta potenza, contribuendo così a dissipare il calore. La figura 2 mostra due dispositivi a semiconduttore identici: i componenti A e B. Il componente A si trova all'angolo del PCB e ha una temperatura di giunzione del chip superiore del 5% a quella del componente B, perché il componente B si trova più vicino al centro. Poiché l'area della scheda intorno al componente per la dissipazione del calore è più piccola, la dissipazione del calore all'angolo del componente A è limitata.

Il secondo aspetto è la struttura del PCB, che ha l'influenza più decisiva sulle prestazioni termiche del design PCB. Il principio generale è: più rame nel 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 pezzo di rame raffreddato a liquido. Per la maggior parte delle applicazioni, questo metodo di montaggio è impraticabile, quindi possiamo apportare solo 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 effetto negativo sulle prestazioni di dissipazione del calore. Più grande è il PCB, più grande è l'area che può essere utilizzata per la conduzione del calore e ha anche una maggiore flessibilità, consentendo spazio sufficiente tra i componenti ad alta potenza.

Quando possibile, massimizzare il numero e lo spessore dei piani di terra in rame PCB. Il peso del rame dello strato di terra è generalmente relativamente grande ed è un eccellente percorso termico per l'intero PCB per dissipare il calore. La disposizione del cablaggio per ogni strato aumenterà anche la proporzione totale di rame utilizzato per la conduzione del calore. Tuttavia, questo cablaggio è solitamente isolato elettricamente e termicamente, il che limita il suo ruolo come potenziale strato di dissipazione del calore. Il cablaggio del piano di terra del dispositivo dovrebbe essere il più elettrico possibile con molti piani di terra, in modo da contribuire a massimizzare la conduzione del calore. La dissipazione del calore vias sul PCB sotto il dispositivo a semiconduttore aiuta il calore ad entrare negli strati sepolti del PCB e condurre al retro del circuito stampato.

Per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore, gli strati superiori e inferiori del PCB sono "posizioni dorate". Utilizzare fili più larghi e instradarli lontano dai dispositivi ad alta potenza per fornire un percorso termico per la dissipazione del calore. La scheda termica dedicata è un metodo eccellente per la dissipazione del calore PCB. La scheda termica si trova generalmente sulla parte superiore o posteriore del PCB ed è collegata termicamente al dispositivo tramite connessioni dirette in rame o vie termiche. Nel caso del pacchetto in linea (pacchetti con cavi su entrambi i lati), questo tipo di scheda di conduzione termica può essere posizionato sulla parte superiore del PCB e a forma di "osso di cane" (il mezzo è stretto come il pacchetto, e l'area lontano dal pacchetto è relativamente piccola. Grande, piccolo nel mezzo e grande alle estremità). Nel caso di un pacchetto a quattro lati (con cavi su tutti e quattro i lati), la piastra conduttrice termica deve essere posizionata sul retro del PCB o entrare nel PCB.

Aumentare le dimensioni della scheda termica è un ottimo modo per migliorare le prestazioni termiche del pacchetto PowerPAD. Le diverse dimensioni della scheda termica hanno una grande influenza sulle prestazioni termiche. La scheda tecnica del prodotto fornita sotto forma di tabella elenca generalmente queste informazioni sulle dimensioni. Tuttavia, è difficile quantificare l'impatto del rame aggiunto dei PCB personalizzati. Utilizzando alcuni calcolatori online, gli utenti possono selezionare un dispositivo e quindi modificare le dimensioni del pad di rame per stimare il suo impatto sulle prestazioni di dissipazione del calore dei PCB non JEDEC. Questi strumenti di calcolo evidenziano l'impatto della progettazione PCB sulle prestazioni termiche. Per un pacchetto a quattro lati, l'area del pad superiore è appena più piccola dell'area del pad esposto del dispositivo. In questo caso, lo strato interrato o posteriore è il primo modo per ottenere un migliore raffreddamento. Per i pacchetti in linea dual, possiamo utilizzare uno stile pad "dog bone" per dissipare il calore.

Infine, i sistemi con PCB più grandi possono essere utilizzati anche per il raffreddamento. Nel caso in cui le viti siano collegate alla scheda termica e al piano di terra per la dissipazione del calore, alcune viti utilizzate per montare 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 che raggiunge il punto di ritorno decrescente. Dopo essere stato collegato alla piastra conduttiva termica, la piastra di rinforzo PCB metallica ha più area di raffreddamento. Per alcune applicazioni in cui il PCB è coperto da un guscio, il materiale di riparazione della saldatura a controllo di tipo ha una prestazione termica superiore rispetto al guscio raffreddato ad aria. Le soluzioni di raffreddamento, come ventilatori e dissipatori di calore, sono anche metodi comuni per il raffreddamento del sistema, ma di solito richiedono più spazio o hanno bisogno di modificare il design per ottimizzare l'effetto di raffreddamento.