PCB新聞 - 如何設計具有高熱效能的PCB系統

IC封裝依靠PCB散熱. 一般來說, PCB電路板 是大功率半導體器件的主要冷卻方法. 一個好的PCB散熱設計有很大的影響, 它可以使系統運行良好, 還可以埋下熱事故隱患. 小心處理PCB佈局, 董事會結構, 設備安裝有助於提高中高功率應用的散熱效能.

電晶體製造商難以控制使用其設備的系統。 然而，安裝了集成電路的系統對整體設備效能至關重要。 對於定制IC設備，系統設計師通常與製造商密切合作，以確保系統滿足大功率設備的許多散熱要求。 這種早期合作確保IC符合電力和效能標準，同時確保客戶冷卻系統內的正常運行。 許多大型電晶體公司將設備作為標準組件銷售，製造商與最終應用程序之間沒有聯系。 在這種情況下，我們只能使用一些通用指南來幫助實現更好的IC和系統被動散熱解決方案。

如何設計具有高熱效能的PCB系統

常見的電晶體封裝類型是裸焊盤或PowerPADTM封裝。 在這些封裝中，晶片安裝在稱為晶片墊的金屬板上。 這種晶片墊在晶片加工過程中支持晶片，也是器件散熱的良好熱通道。 當封裝的裸焊盤焊接到PCB上時，熱量迅速從封裝中排出並進入PCB。 然後熱量通過PCB層散發到周圍空氣中。 裸焊盤封裝通常通過封裝底部將大約80%的熱量傳遞到PCB中。 剩下的20%的熱量通過設備導線和封裝的各個側面散發。 不到1%的熱量通過包裝頂部逸出。 對於這些裸焊盤封裝，良好的PCB散熱設計對於確保某些設備效能至關重要。

PCB設計可以提高熱效能的一個方面是PCB設備佈局。 只要可能，PCB上的大功率組件應相互分離。 大功率組件之間的這種物理分離允許每個大功率組件周圍的PCB區域進行區域化，這有助於實現更好的傳熱。 應注意將溫度敏感元件與PCB上的大功率元件分開。 在可能的情况下，大功率組件應遠離PCB的角落。 更中間的PCB位置允許大功率組件周圍有更大的板面積，以幫助散熱。 圖2顯示了兩個相同的半導體器件：組件A和組件B。組件A位於PCB的拐角處，晶片結溫度比組件B高5%，組件B位於更中心的位置。 部件A轉角處的散熱受到用於散熱的部件周圍較小面板面積的限制。

第二個方面是PCB的結構，它對PCB設計的熱效能有著决定性的影響。 一般來說，PCB中的銅越多，系統組件的熱效能就越高。 半導體器件的理想散熱情况是將晶片安裝在一大塊液冷銅上。 這對於大多數應用程序都不實用，囙此我們必須對PCB進行其他更改以改善散熱。 對於今天的大多數應用，系統的總體積正在縮小，對散熱效能產生不利影響。 較大的PCB有更多的表面積可用於傳熱，但也有更多的靈活性，可以在高功率組件之間留出足够的空間。

在可能的情况下，應改變PCB銅層的數量和厚度。 接地銅的重量通常很大，這對於整個PCB散熱來說是一個很好的熱通道。 各層佈線的佈置也新增了用於熱傳導的銅的總比重。 然而，這種佈線通常是電力絕緣的，限制了其作為潜在散熱器的使用。 設備連接層應盡可能與盡可能多的連接層進行電力連接，以幫助熱傳導。 半導體器件下方PCB中的散熱孔有助於熱量進入PCB的嵌入層並傳遞到板的背面。

PCB的頂層和底層是改善冷卻效能的“主要位置”。 使用更寬的導線和遠離高功率設備的佈線可以為散熱提供熱通道。 特種導熱板是PCB散熱的一種很好的方法。 導熱板位於PCB的頂部或背面，並且

通過直接銅連接或熱通孔與設備熱連接。 在線上封裝的情况下（僅在封裝的兩側有引線），導熱板可以位於PCB的頂部，形狀像“狗骨頭”（中間和封裝一樣窄，遠離封裝的銅面積大，中間小，兩端大）。 如果是四邊封裝（所有四邊都有引線），導熱板必須位於PCB背面或PCB內部。

增大導熱板的尺寸是改善PowerPAD封裝熱效能的一種很好的方法。 不同尺寸的導熱板對熱效能有很大的影響。 表格產品資料表通常列出這些尺寸。 但很難量化添加銅對定制PCB的影響。 通過線上小算盘，用戶可以選擇設備並更改銅焊盤的尺寸，以估計其對非JEDEC PCB熱效能的影響。 這些計算工具突出了PCB設計對散熱效能的影響程度。 對於四面封裝，其中頂部焊盤的面積剛好小於設備的裸焊盤面積，嵌入或背層是實現更好冷卻的第一種方法。 對於雙列直插式封裝，我們可以使用“狗骨”墊式散熱。

較大的PCB系統也可用於冷卻。 當連接到熱板和接地層時，用於安裝PCB的螺釘還可以為系統基座提供有效的熱通道。 考慮到導熱性和成本，螺釘的數量應達到收益遞減的程度。 金屬PCB加强板在連接到熱板後有更多的冷卻區域。 對於PCB外殼具有外殼的某些應用，B型焊點資料具有比風冷外殼更高的熱效能。 冷卻解決方案（如風扇和散熱片）也通常用於系統冷卻，但它們通常需要更多空間或需要修改設計以優化冷卻。

要設計一個具有高熱效能的系統，僅僅選擇一個好的IC器件和封閉的解決方案是不够的。 IC冷卻效能調度取決於PCB和冷卻系統的容量，以允許IC設備快速冷卻。 上述被動式冷卻方法可以大大提高系統的散熱效能。