PCB技術 - PCB基板冷却とICパッケージ放熱

ICパッケージは熱を放散するためにPCBに依存する.一般的に言えば, PCBは高電力消費半導体デバイスの主冷却方法である. 良いPCB放熱設計は、大きな影響を及ぼします. これは、システムをうまく動作させることができます, そして、それはまた、熱事故の隠された危険性を埋めることができます. 注意深い取扱いPCBレイアウト, 板構造, そして、デバイス配置は中～高電力アプリケーションの熱性能を向上させる.

半導体製造会社は装置を使用するシステムを制御することは困難である。しかし、ICを搭載するシステムは、装置全体の性能にとって重要である。カスタムICデバイスのために、システム設計者は、通常、システムが高出力デバイスの多くの放熱性要件を満たすことを保証するために、メーカーと密接に協働する。この初期の協同は、顧客の冷却システムで通常の操作を確実にしながら、ICが電気標準と性能基準を満たしていることを保証することができます。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、より良いICおよびシステム受動冷却ソリューションを達成するために、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る。

一般的な半導体パッケージタイプは、露出パッドまたはpowerpadTMパッケージである。これらのパッケージにおいて、チップはダイパッドと呼ばれる金属板に取り付けられる。このチップパッドはチップ処理中にチップを支持し、デバイスの放熱のための良好な熱経路でもある。パッケージの露出したパッドがPCBにはんだ付けされると、熱はパッケージから急速に放散し、次いでPCBに入る。その後、熱は各PCB層を通って周囲の空気中に放散される。露出パッドパッケージは、一般的に、パッケージの底を通ってPCBに入る、約80 %の熱を伝導する。熱の残りの20 %は、デバイスワイヤ及びパッケージの全側面を通して放散される。熱の1 %未満は、パッケージの最上部から放散される。これらの露出したパッドパッケージのために、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必須である。

熱的性能を向上させることができるPCB設計の第1の側面は、PCB部品のレイアウトである。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。高出力部品間のこの物理的分離は、各々の高出力部品周辺のPCB領域を最大化し、それによってより良好な熱伝導を達成するのを助ける。高電力成分からPCB上の温度感受性成分を分離するために注意すべきである。可能であるときはいつでも、高出力部品の設置場所はPCBの角から遠く離れているべきです。より中央のPCB位置は、高出力部品周辺の基板面積を最大にすることができ、それによって熱を放散するのを助ける。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の角部に配置され、部品BがコンポーネントBの5 %より高いチップ接合温度を有している。放熱のための部品周辺の基板面積が小さいので、部品Aの角部での放熱が制限される。

第2の態様は、PCBの構造である, の熱的性能に最も決定的な影響を及ぼす PCB設計.一般的な原則は、PCBの中のより多くの銅です, システム部品の熱性能が高い. 半導体デバイスの理想的な放熱状況は、チップが液体冷却された銅の大きな部分に取り付けられるということである. ほとんどのアプリケーション,この実装方法は実用的でない, それで、我々は熱放散性能を改善するためにPCBにいくつかの他の変化をすることができるだけです.今日のほとんどのアプリケーション,システムの総容量は縮小し続けている,放熱性能に悪影響を及ぼす.基板PCBが大きい,熱伝導に使用できる面積が大きい, また、より大きな柔軟性, 高出力部品間の十分なスペースを許容する.

PCB銅グランドプレーンの数と厚さを可能な限り最大にする。接地層銅の重量は、一般的に比較的大きく、PCB全体が熱を放散するための優れた熱経路である。各層に対する配線の配置は、熱伝導に使用される銅の全割合も増加させる。しかし、この配線は、通常、電気的および熱的に分離され、それは潜在的な放熱層としての役割を制限する。デバイスグランドプレーンの配線は、多くの接地面で可能な限り電気的でなければならないので、熱伝導を最大にするのを助ける。半導体デバイスの下のPCB上の放熱ビアは、PCBの埋込み層に入るために加熱して、回路基板の後ろに導通するのを助ける。

熱放散性能を改善するために、PCBの頂部および底部層は「黄金の位置」である。より広いワイヤーを使用して、熱散逸のために熱パスを提供するために、高出力装置から彼らを離れてください。専用熱板はpcb放熱の優れた方法である。熱板は一般にPCBの頂部または背面に位置し、直接銅接続又は熱ビアを介して装置に熱的に接続される。インラインパッケージング（両側にリードを有するパッケージ）の場合、この種の熱伝導板は、PCBの頂部に位置し、「犬の骨」のように形づくられる（中央はパッケージと同じくらい狭い）、パッケージから離れた領域は比較的小さい。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の背面に位置しなければならず、PCBに入る必要がある。

熱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。異なる熱板サイズは、熱性能に大きな影響を及ぼす。一般に、これらのサイズ情報を一覧表として提供する。しかし、カスタムPCBの添加銅の影響を定量化することは困難である。いくつかのオンライン計算機を使用して、ユーザーは、デバイスを選択することができますし、銅のパッドのサイズを変更する非JEDEC PCBの放熱性能にその影響を推定する。これらの計算ツールは、熱的性能に対するPCB設計の影響を強調する。つの側面パッケージの場合、上部パッドの面積は、デバイスの露出したパッドの面積よりわずかに小さい。この場合、埋込みまたは裏層は、より良い冷却を達成する第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。

最後に, より大きなPCBシステムは、冷却のためにも使うことができます. ねじが放熱用の熱伝導板と接地面に接続されている場合, PCBをマウントするために使用されるいくつかのねじも、システムベース10に有効な熱経路になることができる. 熱伝導効果とコストを考える, ねじの数は、減少するリターンのポイントに達する最大値でなければなりません. 熱伝導板に接続された後, これメタルPCB 補強板の冷却面積が多い. PCBがシェルで覆われているアプリケーションについて, タイプ制御された溶接補修材料は空冷シェルより高い熱性能を有する. 冷却溶液, ファンやヒートシンクなど, システム冷却のための共通の方法でもある, しかし、彼らは通常より多くのスペースを必要とするか、冷却効果を最適化するためにデザインを修正する必要があります.