PCB科技 - 設計PCB散熱

IC封裝依賴於PCB散熱。 一般來說，PCB是高功耗半導體器件的主要冷卻方法。 一個好的PCB散熱設計具有巨大的影響。 它可以使系統正常工作，也可以埋下熱事故的隱患。 仔細處理PCB佈局、板結構和器件佈局可以幫助提高中高功率應用的熱效能。

如何設計PCB散熱

常見的電晶體封裝類型是暴露焊盤或PowerPADTM封裝。 在這些封裝中，晶片被安裝在稱為管芯焊盤的金屬片上。 該晶片焊盤在晶片處理期間支撐晶片，並且也是用於器件散熱的良好熱路徑。 當封裝的暴露焊盤被焊接到PCB上時，熱量可以迅速從封裝中消散，然後進入PCB。 之後，熱量通過每個PCB層散發到周圍的空氣中。 暴露的焊盤封裝通常傳導大約80%的熱量，這些熱量通過封裝的底部進入PCB。 剩餘的20%的熱量通過器件導線和封裝的所有側面散發。 不到1%的熱量通過封裝的頂部消散。 對於這些暴露的焊盤封裝，良好的PCB散熱設計對於確保一定的器件效能至關重要。

可以提高熱效能的PCB設計的第一個方面是PCB器件佈局。 只要可能，PCB上的高功率組件應相互分離。 高功率部件之間的這種物理分離使每個高功率部件周圍的PCB面積最大化，從而有助於實現更好的熱傳導。 應注意將PCB上的溫度敏感元件與高功率元件隔離。 只要可能，高功率元件的安裝位置應遠離PCB的角落。 更中心的PCB位置可以最大限度地擴大高功率組件周圍的板面積，從而有助於散熱。 顯示了兩個相同的半導體器件：組件A和B。組件A位於PCB的角落，晶片結溫度比組件B高5%，因為組件B位於更靠近中間的位置。 由於部件周圍用於散熱的板面積較小，囙此部件A拐角處的散熱受到限制。

第二個方面是PCB的結構，它對PCB設計的熱效能有著最决定性的影響。 一般原理是：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管道是將晶片安裝在一大塊液冷銅上。 對於大多數應用來說，這種安裝方法是不切實際的，囙此我們只能對PCB進行一些其他更改，以提高散熱效能。 對於今天的大多數應用來說，系統的總體積持續縮小，這對散熱效能產生了不利影響。 PCB越大，可用於熱傳導的面積就越大，而且它還具有更大的靈活性，允許大功率部件之間有足够的空間。

只要可能，最大限度地新增PCB銅接地平面的數量和厚度。 接地層銅的重量通常相對較大，並且它是整個PCB散熱的極好的熱路徑。 對於每層的佈置和佈線，用於熱傳導的銅的總比例也將新增。 然而，這種佈線通常是電絕緣和熱絕緣的，這限制了其作為潜在散熱層的作用。 設備接地平面的佈線應盡可能具有多個接地平面，以幫助最大化熱傳導。 半導體器件下方PCB上的散熱過孔有助於熱量進入PCB的埋層並傳導到電路板的背面。

為了提高散熱效能，PCB的頂層和底層是“黃金位置”。 使用更寬的電線，並將其遠離高功率設備，以提供散熱的熱路徑。 專用散熱板是一種很好的PCB散熱方法。 熱板通常位於PCB的頂部或背面，並通過直接銅連接或熱過孔熱連接到設備。 在直列封裝的情况下（僅兩側都有引線的封裝），這種導熱板可以位於PCB的頂部，形狀像“狗骨頭”（中間和封裝一樣窄，遠離封裝的面積相對較小。大，中間小，末端大）。 如果是四面封裝（四面都有引線），導熱板必須位於PCB背面或進入PCB。

新增熱板的尺寸是提高PowerPAD封裝的熱效能的一個極好的方法。 不同的保溫板尺寸對保溫效能有很大影響。 以表格形式提供的產品資料表通常列出這些尺寸資訊。 然而，很難量化定制多氯聯苯添加銅的影響。 使用一些線上小算盘，用戶可以選擇一個設備，然後改變銅焊盤的大小，以估計其對非JEDEC PCB散熱效能的影響。 這些計算工具強調了PCB設計對熱效能的影響。 對於四邊封裝，頂部焊盤的面積剛好小於器件的暴露焊盤的區域。 在這種情況下，埋層或背層是實現更好冷卻的第一種管道。 對於雙列直插式封裝，我們可以使用“狗骨”襯墊來散熱。

最後，具有較大PCB的系統也可以用於冷卻。 在螺釘連接到導熱板和接地平面進行散熱的情况下，一些用於安裝PCB的螺釘也可以成為通往系統基座的有效熱路徑。 考慮到熱傳導效應和成本，螺釘的數量應該是達到收益遞減點的最大值。 金屬PCB加强板與導熱板連接後，具有更多的冷卻面積。 對於PCB被外殼覆蓋的一些應用，類型控制的焊接修復資料比風冷外殼具有更高的熱效能。 冷卻解決方案，如風扇和散熱器，也是系統冷卻的常見方法，但它們通常需要更多的空間或需要修改設計以優化冷卻效果。

為了設計一個具有更高熱效能的PCB散熱系統，僅僅選擇一個好的IC器件和封閉的解決方案是遠遠不夠的。 IC的散熱效能取決於PCB和散熱系統快速冷卻IC器件的能力。 通過使用上述被動冷卻方法，可以大大提高系統的散熱效能。