Tin tức về PCB - Làm thế nào để thiết kế một hệ thống PCB với hiệu suất nhiệt cao

Gói IC dựa vào PCB để tản nhiệt. Nói chung, bảng mạch PCB là phương pháp làm mát chính cho các thiết bị bán dẫn công suất cao. Một thiết kế tản nhiệt PCB tốt có một tác động lớn, nó có thể làm cho hệ thống hoạt động tốt, nhưng cũng có thể chôn vùi nguy cơ tai nạn nhiệt. Xử lý cẩn thận bố trí PCB, cấu trúc bảng và cài đặt thiết bị giúp cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho các ứng dụng công suất trung bình và cao.

Các nhà sản xuất chất bán dẫn gặp khó khăn trong việc kiểm soát các hệ thống sử dụng thiết bị của họ. Tuy nhiên, một hệ thống được trang bị IC là rất quan trọng đối với hiệu suất tổng thể của thiết bị. Đối với các thiết bị IC tùy chỉnh, các nhà thiết kế hệ thống thường làm việc chặt chẽ với các nhà sản xuất để đảm bảo hệ thống đáp ứng nhiều yêu cầu tản nhiệt cho các thiết bị công suất cao. Sự hợp tác sớm này đảm bảo rằng IC đáp ứng các tiêu chuẩn về điện và hiệu suất, đồng thời đảm bảo hoạt động bình thường trong hệ thống làm mát của khách hàng. Nhiều công ty bán dẫn lớn bán thiết bị như một thành phần tiêu chuẩn và không có mối liên hệ nào giữa nhà sản xuất và ứng dụng cuối cùng. Trong trường hợp này, chúng tôi chỉ có thể sử dụng một số hướng dẫn chung để giúp đạt được giải pháp tản nhiệt thụ động tốt hơn cho IC và hệ thống.

Làm thế nào để thiết kế một hệ thống PCB với hiệu suất nhiệt cao

Các loại bao bì bán dẫn phổ biến là các miếng đệm trần hoặc các gói PowerPADTM. Trong các gói này, các chip được gắn trên các tấm kim loại gọi là pad chip. Loại đĩa hàn chip này hỗ trợ chip trong quá trình xử lý chip, cũng là một đường dẫn nhiệt tốt để tản nhiệt thiết bị. Khi miếng đệm trần của gói được hàn vào PCB, nhiệt nhanh chóng thoát ra khỏi gói và đi vào PCB. Nhiệt sau đó được phân tán qua lớp PCB vào không khí xung quanh. Các gói đĩa trần thường chuyển khoảng 80% nhiệt vào PCB thông qua đáy của gói. 20% nhiệt còn lại đi qua các mặt khác nhau của dây dẫn và gói thiết bị. Ít hơn 1% lượng nhiệt được truyền qua phần trên cùng của bao bì. Thiết kế tản nhiệt PCB tốt là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất thiết bị nhất định trong trường hợp các tấm trần này được đóng gói.

Một khía cạnh của thiết kế PCB có thể cải thiện hiệu suất nhiệt là bố trí thiết bị PCB. Bất cứ khi nào có thể, các thành phần công suất cao trên PCB nên được tách ra khỏi nhau. Sự tách biệt vật lý này giữa các thành phần công suất cao cho phép khu vực PCB xung quanh mỗi thành phần công suất cao được khu vực hóa, giúp truyền nhiệt tốt hơn. Cần cẩn thận để tách các yếu tố nhạy cảm với nhiệt độ trên PCB khỏi các yếu tố công suất cao. Nếu có thể, các thành phần công suất cao nên tránh xa các góc của PCB. Vị trí PCB trung gian hơn cho phép diện tích tấm lớn hơn xung quanh các bộ phận công suất cao để giúp tản nhiệt. Hình 2 cho thấy hai thiết bị bán dẫn giống hệt nhau: Thành phần A và B. Thành phần A ở góc PCB có nhiệt độ nút chip cao hơn 5% so với Thành phần B ở trung tâm. Tản nhiệt ở các góc của thành phần A bị hạn chế bởi diện tích bảng điều khiển nhỏ hơn xung quanh thành phần được sử dụng để tản nhiệt.

Khía cạnh thứ hai là cấu trúc của PCB, có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất nhiệt của thiết kế PCB. Nói chung, càng nhiều đồng trong PCB, hiệu suất nhiệt của các thành phần hệ thống càng cao. Tình huống tản nhiệt lý tưởng cho các thiết bị bán dẫn là gắn chip vào một miếng đồng lớn làm mát bằng chất lỏng. Điều này không thực tế đối với hầu hết các ứng dụng, vì vậy chúng tôi phải thực hiện các thay đổi khác đối với PCB để cải thiện hiệu suất tản nhiệt. Đối với hầu hết các ứng dụng ngày nay, tổng khối lượng của hệ thống đang giảm, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất tản nhiệt. PCBS lớn hơn có diện tích bề mặt lớn hơn để truyền nhiệt, nhưng cũng linh hoạt hơn để có đủ không gian giữa các thành phần công suất cao.

Nếu có thể, số lượng và độ dày của lớp đồng PCB nên được thay đổi. Trọng lượng của đồng mặt đất thường lớn hơn, đó là một con đường nhiệt tốt để tản nhiệt toàn bộ PCB. Việc bố trí hệ thống dây của các lớp cũng làm tăng tổng trọng lượng riêng của đồng được sử dụng để dẫn nhiệt. Tuy nhiên, hệ thống dây điện này thường được cách điện, hạn chế việc sử dụng nó như một bộ tản nhiệt tiềm năng. Các lớp kết nối thiết bị nên được kết nối địa điện càng nhiều càng tốt để hỗ trợ dẫn nhiệt. Lỗ tản nhiệt trên PCB bên dưới thiết bị bán dẫn giúp nhiệt đi vào lớp nhúng của PCB và truyền đến mặt sau của bảng.

Lớp trên cùng và lớp dưới cùng của PCB là "vị trí tốt nhất" để cải thiện hiệu suất làm mát. Sử dụng dây rộng hơn và tránh xa các thiết bị công suất cao có thể cung cấp đường dẫn nhiệt để tản nhiệt. Tấm dẫn nhiệt chuyên dụng là một cách tốt để tản nhiệt PCB. Tấm dẫn nhiệt nằm trên hoặc sau PCB

Kết nối với thiết bị bằng kết nối đồng trực tiếp hoặc nhiệt qua lỗ. Trong trường hợp gói nội tuyến (chỉ có dây dẫn ở cả hai bên của gói), bảng dẫn nhiệt có thể được đặt trên đỉnh của PCB và có hình dạng giống như "xương chó" (hẹp như ở giữa và gói, khu vực đồng lớn, nhỏ ở giữa và lớn ở cả hai đầu). Nếu nó là một gói bốn cạnh (tất cả bốn cạnh có dây dẫn), bảng dẫn nhiệt phải được đặt ở mặt sau của PCB hoặc bên trong PCB.

Tăng kích thước của tấm dẫn nhiệt là một cách tuyệt vời để cải thiện hiệu suất nhiệt của gói PowerPAD. Kích thước khác nhau của tấm dẫn nhiệt có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nhiệt. Bảng dữ liệu sản phẩm bảng thường liệt kê các kích thước này. Tuy nhiên, rất khó để định lượng tác động của việc bổ sung đồng đối với PCBS tùy chỉnh. Sử dụng máy tính trực tuyến, người dùng có thể chọn một thiết bị và thay đổi kích thước của miếng đệm đồng để ước tính tác động của nó đối với hiệu suất nhiệt PCB không JEDEC. Các công cụ tính toán này nhấn mạnh mức độ ảnh hưởng của thiết kế PCB đến hiệu suất tản nhiệt. Đối với gói bốn mặt, trong đó diện tích của miếng đệm trên cùng chỉ nhỏ hơn diện tích của miếng đệm trần của thiết bị, nhúng hoặc lớp lưng là cách đầu tiên để đạt được làm mát tốt hơn. Đối với gói trực tiếp hai cột, chúng ta có thể sử dụng kiểu đệm "xương chó" để tản nhiệt.

Hệ thống PCB lớn hơn cũng có thể được sử dụng để làm mát. Vít được sử dụng để gắn PCB cũng có thể cung cấp truy cập nhiệt hiệu quả vào đế hệ thống khi được kết nối với tấm nhiệt và hình thành. Với tính dẫn nhiệt và chi phí, số lượng vít nên đạt đến điểm mà lợi nhuận giảm dần. Kim loại gia cố PCB có diện tích làm mát nhiều hơn sau khi kết nối với bảng tản nhiệt. Đối với một số ứng dụng nơi vỏ PCB có vỏ, vật liệu vá hàn loại B có hiệu suất nhiệt cao hơn vỏ làm mát bằng không khí. Các giải pháp làm mát như quạt và tản nhiệt cũng thường được sử dụng để làm mát hệ thống, nhưng chúng thường đòi hỏi nhiều không gian hơn hoặc cần sửa đổi thiết kế để tối ưu hóa việc làm mát.

Để thiết kế một hệ thống có hiệu suất nhiệt cao, chỉ cần chọn một thiết bị IC tốt và một giải pháp khép kín là không đủ. Lập kế hoạch hiệu suất làm mát IC phụ thuộc vào công suất của PCB và hệ thống làm mát để cho phép thiết bị IC làm mát nhanh chóng. Các phương pháp làm mát thụ động được mô tả ở trên có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tản nhiệt của hệ thống.