PCBニュース - 高い熱性能をもつPCBシステムの設計方法

放熱パッケージ用ICパッケージ. 一般に, PCBボード 高出力半導体デバイスの主冷却方法. 良いPCB放熱設計は大きな影響を与えます, システムをうまく動かすことができる, しかし、また、熱事故の隠れた危険を埋めることができます. PCBレイアウトの注意深い取り扱い, 板構造, また、デバイスマウントは、媒体および高電力アプリケーションの放熱性能を向上させることができる.

半導体製造業者は、その装置を使用するシステムを制御するのが困難である。しかし，icを搭載したシステムは，デバイス全体の性能に重要である。カスタムICデバイスのために、システム設計者は、システムが高電力デバイスの多くの放熱性要件を満たすように製造者と密接に協働する。この初期の協同は、顧客の冷却システムの範囲内で適切な活動を確実にしている間、ICが電気的でパフォーマンス標準に会うことを確実とします。多くの大規模な半導体企業が標準部品として装置を販売しており、製造業者と最終出願との接触はない。この場合、我々は、ICとシステムのためにより良い受動的な熱放散解を達成するのを助けるいくつかの一般的なガイドラインを使用することができます。

高い熱性能をもつPCBシステムの設計方法

一般的な半導体パッケージタイプは、ベアパッドまたはPowerPadTMパッケージです。これらのパッケージにおいて、チップはチップパッドと呼ばれる金属板上に実装される。この種のチップ・パッドはチップ処理のプロセスでチップを支持して、また、デバイス放熱のための良い熱パスである。パッケージされたベアパッドがPCBに溶接されるとき、熱はパッケージからPCBへと急速に放出される。次いで、熱はPCB層を通って周囲の空気中に放散される。ベアパッドパッケージは、典型的にはパッケージの底部を通ってPCBの中に約80 %の熱を伝達する。熱の残りの20 %は、パッケージのデバイスワイヤおよび様々な側面を通って放出される。熱の1 %未満は、パッケージの上部をエスケープします。これらのベアパッドパッケージの場合、良好なPCB放熱設計は、あるデバイス性能を確実にするために不可欠である。

熱性能を向上させることができるPCB設計の1つの側面は、PCBデバイスレイアウトである。可能であるときはいつでも、PCB上の高出力構成要素は互いに切り離されなければなりません。高出力構成要素間のこの物理的分離は、各々の高出力コンポーネントのまわりのPCB領域がより良い熱伝達をなしとげるのに役立つ地域化されるのを可能にする。PCB上の高出力成分から温度感受性成分を分離するために注意する必要がある。可能な限り、高出力部品はPCBの隅から離れて配置されるべきである。より中間のPCB位置は、熱放散を援助するために高出力コンポーネントのまわりのより大きなボード領域を考慮に入れる。図2は、2つの同一の半導体デバイスを示している。コンポーネントA及びBは、PCBの角部に位置し、部品接合部の温度は、より中心的に配置される構成要素Bよりも5 %高い。部品Aの角部での放熱は、放熱に使用される部品周辺のより小さなパネル面積によって制限される。

第2の態様は、PCB設計の熱的性能に決定的な影響を及ぼすPCBの構造である。一般的に、PCBがより多くの銅があるほど、システム構成要素の熱性能が高い。半導体デバイスの理想的な放熱状況は、チップが液体冷却銅の大きなブロックに取り付けられることである。これはほとんどのアプリケーションでは実用的ではないので、熱散逸を改善するためにPCBに他の変更を加えなければならなかった。今日のほとんどのアプリケーションでは、システム全体の体積が縮小し、熱放散性能に悪影響を及ぼす。より大きなPCBsは、熱伝達のために使われることができるより多くの表面積を持っていますが、また、高出力部品間の十分なスペースを残すためにより多くの柔軟性を持ちます。

可能な限り、PCB銅層の数と厚さは変えなければならない。接地銅の重量は一般に大きなものであり、PCBの放熱性全体の優れた熱経路である。層の配線の配置は、熱伝導に使用される銅の全体比重を増加させる。しかし、この配線は、通常、電気的に絶縁され、潜在的なヒートシンクとしての使用を制限する。デバイス接合層は、熱伝導を助けるために、できるだけ多くの接合層に可能な限り電気的に配線されるべきである。半導体デバイスの下のPCBの放熱穴は、PCBの埋込み層に熱を入れて、板の後ろに移るのを助ける。

PCBの上下層は、改善された冷却性能のための「素地」である。より広いワイヤを使用して、高出力デバイスから離れてルーティングすることは、熱放散のための熱パスを提供することができる。特殊熱伝導板はpcb放熱の優れた方法である。熱伝導性のプレートは、PCBの上部または背面に位置している

直接的な銅接続または熱スルーホールのどちらかによって、デバイスに熱的に接続される。インラインパッケージングの場合（パッケージの両側のリード線のみ）、熱伝導板は、「犬の骨」のように形づくられるPCBの頂部に位置することができる（中央はパッケージと同じくらい狭く、パッケージから離れた銅は、大きな面積を有し、その両端の中央および大部分は小さい）。つの側面パッケージ（すべての4つの側にリードを有する）の場合、熱伝導板はPCBの裏またはPCBの内側に位置しなければならない。

熱伝導板のサイズを増やすことは、powerpadパッケージの熱性能を改良する優れた方法である。熱伝導板の寸法は熱的性能に大きく影響する。表形式の製品データシートは、通常、これらの次元を一覧表示します。しかし、カスタムPCBへの添加銅の影響を定量化することは難しい。オンライン計算機では、ユーザーは非JEDEC PCBの熱性能にその効果を推定するためにデバイスを選択し、銅パッドのサイズを変更することができます。これらの計算ツールは、PCB設計が放熱性能に影響する程度を強調している。トップパッドの面積がデバイスのベアパッド面積よりわずかに小さい4つのサイドパッケージの場合、埋め込みまたはバック層は、より良い冷却を達成するための第1の方法である。二重インラインパッケージのために、我々は熱を放散するために「犬骨」パッドスタイルを使うことができます。

より大きなPCBシステムはまた冷却に使用することができる。PCBをマウントするために使用されるネジは、また、サーマルプレートおよび接地層に接続されたとき、システムのベースに有効な熱アクセスを提供することができる。熱伝導率とコストを考慮すると，ねじの数はリターンリターンの点に達するべきである。金属PCB補強材は、熱板に接続された後、より多くの冷却領域を有する。PCBハウジングがシェルを有するいくつかの用途では、タイプBはんだパッチ材料は空冷シェルより高い熱性能を有する。ファンやフィンなどの冷却溶液は、システム冷却にも一般的に使用されているが、しばしば、より多くのスペースを必要としたり、冷却を最適化するための設計変更を必要とする。

高い熱性能を有するシステムを設計するには，icデバイスと閉解を選択するのに十分ではない。IC冷却性能スケジューリングは、ICデバイスが迅速に冷却できるように、PCBと冷却システムの容量に依存する。上記のパッシブクーリング方式は、システムの放熱性能を大幅に向上させることができる。