最新のPCBボード技術を詳細に説明する

2021-10-20

Author：Downs

マルチコアプロセッサを含むPCBボードのインストールに関わると、熱管理の課題はさらに難しくなります。プロセッサアレイ内の各プロセッサコアは、シングルコアプロセッサよりも電力を消費して発熱量を減らすことができますが、大規模なコンピュータサーバへの純影響は、データセンターのコンピュータシステムにより多くの放熱を加えることです。簡単に言えば、PCBの所与の領域でより多くのプロセッサコアを実行します。

もう1つの厄介なIC熱管理の問題は、チップパッケージに現れるホットスポットに関連している。熱流束は1000 Wcm 2に達することができ、追跡が困難な状態です。

PCBは熱管理に重要な役割を果たすため、熱設計レイアウトが必要である。設計エンジニアは、大電力コンポーネントをできるだけお互いから遠ざけるようにしなければなりません。さらに、これらの大電力素子はできるだけPCBの隅から離れなければならず、これは電力素子の周囲のPCB面積を最大限に拡大し、放熱を加速するのに役立ちます。

回路基板

露出した電源パッドをPCBに溶接するのは一般的な方法です。一般に、露出したパッド型電源パッドは、ICパッケージの底部を介してPCBに約80%の熱を伝導することができる。残りの熱はパッケージの側面とリードから放出されます。

熱アシストPCB設計エンジニアは、多くの改良された熱管理製品に助けを求めることができるようになった。これらの製品には、能動的な対流、放射、伝導冷却を実現するために使用できるラジエータ、ヒートパイプ、ファンが含まれています。PCBにチップを搭載する相互接続方法も放熱問題を緩和するのに役立つ。

例えば、ICチップをPCBに相互接続するための一般的な露出パッド方法は、放熱の問題を増加させる可能性がある。露出した経路をPCBに溶接すると、パッケージから熱が急速に漏れてPCB板に入り、PCB板の各層を通じて周囲の空気中に放出されます。

テキサスインスツルメンツTIは、ICチップを金属ディスクに搭載できるPowerPAD方法を発明した。このダイパッドは製造過程でダイを支持し、良好な放熱経路としてチップの熱を消散させる。

TIアナログパッケージ製品マネージャのMatt Romig氏によると、TIのPowerStackアプローチは、ハイサイド垂直MOSFETをスタックできる最初の3 Dパッケージ技術だという。この技術は銅クリップによって適切な位置に固定された高側と低側MOSFETを集積し、接地電位暴露パッドを用いて熱最適化設計を提供する。2つの銅クリップを使用して入力電圧ピンと出力電圧ピンを接続することにより、より統合された扁平正方形無リードQFNパッケージを形成することができる。パワーデバイスの熱管理はより困難である。より高い周波数信号処理とパッケージサイズの低減のための需要は、従来の冷却技術を徐々にエッジ化させている。AdvancedTermalSolutions社長兼最高経営責任者のKaverAzar氏は、水冷マイクロチャネルを備えた埋め込み型薄膜熱電デバイスの使用を提案した。

Azarは、ヒートシンクをマイクロプロセッサチップに直接結合することにより、放熱経路における最大熱抵抗、すなわち拡散熱抵抗を最大限に低減するソリューションを想定している。

この方法では、小型マイクロプロセッサチップに蓄積された熱を大きなヒートシンクベースに放出し、周囲の環境に放出することができます。この組み込みの強制ヒートシンクは、マイクロチャネルとミニチャネルをシリコンパッケージに統合します。通路内の水流速度は約05〜1リットル／分である。

シミュレーションの結果、ボールグリッドアレイBGAパッケージ中の1010 mmダイにおいて、120120 mmのラジエータシャーシ面積は0055 KWの熱抵抗を発生することができることが明らかになった。熱伝導率がダイヤモンド以上の放熱材料を用いて0030 KWの熱抵抗を発生することができる。

チップウエハ、ダイコア、およびパッケージレベルでの局所冷却の実現は、重要な経済効果をもたらすことができる。例えば、数千または数百個の先進的なマイクロプロセッサを備えたデータセンターでは、この方法は、より高価で大きな空調システムを使用して放熱するよりも効果的です。

LEDなどの一部のデバイスでは、受動冷却技術と能動冷却技術の組み合わせにより、デバイスの性能と寿命を向上させることができます。例えば、ラジエータにファンを使用することは、通常、受動冷却ラジエータを単独で使用して実現される典型的な10 Wと比較して、熱抵抗を05 Wに低減することができ、これは顕著な改善である。

熱制御の繰り返しシミュレーションは、より高いIC性能を実現するための制約要因の1つであり、継続されるだろう。これらのますます小さくなるICとそのパッケージでは、冷却を支援するスペースがほとんどないほど、スペースがますます価値のあるものになっています。これにより、設計エンジニアは外部冷却技術の使用を検討し、新しい冷却材料を絶えず改善することを余儀なくされている。

いずれにしても、基本的な前提は依然として正しい：PCB設計エンジニアは、最適な冷却ソリューションを実現するために熱科学にもっと注目しなければならない。全体のプロセスは熱分析ソフトウェアから始めなければならない。これは設計が生産に投入されるよりずっと早い。