Công nghệ PCB - Điểm sử dụng tản nhiệt PCB và chiến lược đóng gói IC

Gói IC gắn trên bề mặt dựa vào bảng mạch in để tản nhiệt. Nói chung, PCB là phương pháp làm mát chính cho các thiết bị bán dẫn công suất cao. Một thiết kế nhiệt PCB tốt có tác động rất lớn, nó có thể giữ cho hệ thống hoạt động tốt, cũng có thể chôn vùi những rủi ro tiềm ẩn của tai nạn nhiệt. Xử lý cẩn thận bố trí PCB, cấu trúc bảng và vị trí thiết bị có thể giúp cải thiện hiệu suất nhiệt cho các ứng dụng công suất trung bình và cao.

Các công ty sản xuất chất bán dẫn gặp khó khăn trong việc kiểm soát các hệ thống được sử dụng bởi thiết bị của họ. Tuy nhiên, hệ thống mà IC được cài đặt là rất quan trọng đối với hiệu suất thiết bị tổng thể. 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 nhiệt của 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 trong khi vẫn hoạt động bình thường trong hệ thống làm mát của khách hàng. Nhiều công ty bán dẫn lớn bán thiết bị của họ 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 thực hiện các giải pháp làm mát thụ động tốt hơn cho IC và hệ thống.

Các loại bao bì bán dẫn phổ biến là các tấm tiếp xúc hoặc các gói loại PowerPADTM. Trong các gói này, chip được gắn vào một miếng kim loại gọi là tubulary welding pad. Miếng đệm chip này hỗ trợ chip trong quá trình xử lý chip và cũng là một đường dẫn nhiệt tốt để tản nhiệt thiết bị. Khi miếng đệm tiếp xúc của gói được hàn vào PCB, nhiệt có thể nhanh chóng tiêu tan khỏi gói và đi vào PCB. Sau đó, nhiệt tiêu tan qua các lớp PCB khác nhau và đi vào không khí xung quanh. Một gói pad tiếp xúc thường dẫn khoảng 80% nhiệt đi vào PCB thông qua đáy gói. 20% còn lại được phân tán thông qua dây dẫn của thiết bị và tất cả các mặt của gói. Ít hơn 1% nhiệt tiêu tan qua phần trên cùng của gói. Đối với các gói pad tiếp xúc này, thiết kế nhiệt PCB tốt là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất thiết bị nhất định. 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 góp phần truyền nhiệt tốt hơn. Cần chú ý cách ly các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ khỏi các thành phần tiêu thụ điện năng cao trên PCB. Bất cứ khi nào có thể, các bộ phận công suất cao nên được lắp đặt cách xa các góc PCB. Vị trí PCB trung tâm hơn giảm thiểu diện tích bảng xung quanh các yếu tố tiêu thụ điện để giúp tản nhiệt. Khía cạnh thứ hai là cấu trúc của PCB, có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất nhiệt của thiết kế PCB. Nguyên tắc chung là càng nhiều đồng trong PCB, hiệu suất nhiệt của các thành phần hệ thống càng tốt. Tình huống tản nhiệt lý tưởng cho các thiết bị bán dẫn là cài đặt lõi trên các khối lớn đồng làm mát bằng chất lỏng. Đối với hầu hết các ứng dụng, phương pháp đặt này không thực tế, vì vậy chúng tôi chỉ có thể thực hiện một số thay đổi khác đối với PCB để cải thiện hiệu suất nhiệt. Đối với hầu hết các ứng dụng ngày nay, kích thước hệ thống tổng thể đang giảm xuống, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất nhiệt. PCB càng lớn, khu vực có thể được sử dụng để dẫn nhiệt càng lớn và linh hoạt hơn để lại đủ không gian giữa các thành phần công suất cao. Tối ưu hóa số lượng và độ dày của mặt phẳng nối đất bằng đồng PCB càng nhiều càng tốt. Đồng phẳng mặt đất thường nặng và nó là một đường dẫn nhiệt tốt để tản nhiệt toàn bộ PCB. Việc bố trí hệ thống dây cho mỗi lớp cũng làm tăng tỷ lệ tổng thể của đồng được sử dụng để dẫn nhiệt. Tuy nhiên, định tuyến này thường được thực hiện trong cách ly điện và nhiệt, điều này hạn chế vai trò của nó như một bộ tản nhiệt tiềm năng. Mặt phẳng nối đất của thiết bị nên được định tuyến điện càng nhiều càng tốt để hỗ trợ dẫn nhiệt. Quá nhiệt trên PCB bên dưới thiết bị bán dẫn giúp nhiệt đi vào lớp chôn của PCB và dẫn đến mặt sau của bảng. Các lớp trên cùng và dưới cùng của PCB là "vùng đất vàng" để cải thiện hiệu suất nhiệt. Sử dụng dây rộng hơn, tránh xa các thiết bị công suất cao, có thể cung cấp đường dẫn nhiệt để tản nhiệt. Tản nhiệt chuyên dụng là một cách tuyệt vời để tản nhiệt. Các pad nhiệt thường được tìm thấy ở phía trên hoặc phía sau của PCB và được kết nối với thiết bị bằng cách kết nối đồng trực tiếp hoặc nhiệt qua lỗ nóng. Trong trường hợp gói nội tuyến (gói chỉ có dây dẫn ở cả hai bên), miếng đệm nhiệt này có thể được đặt trên đỉnh của PCB và có hình dạng giống như "xương chó" (ở giữa hẹp như gói và khu vực đồng kết nối lớn hơn từ gói. Lớn, nhỏ ở giữa và lớn ở cả hai đầu). Trong trường hợp đóng gói bốn bên (tất cả bốn bên đều có dây dẫn), miếng đệm nhiệt phải ở mặt sau của PCB hoặc vào PCB. Tăng kích thước miếng đệm nhiệt là một cách tuyệt vời để cải thiện hiệu suất nhiệt của gói PowerPAD. Kích thước tấm dẫn nhiệt khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất nhiệt. Bảng dữ liệu sản phẩm được cung cấp dưới dạng bảng thường liệt kê các kích thước này. Tuy nhiên, rất khó để định lượng tác động của việc thêm đồng vào PCB tùy chỉnh. Sử dụng một số máy tính trực tuyến, người dùng có thể chọn một thiết bị và sau đó 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 nhiệt. Đối với gói bốn cạnh, diện tích mặt bích trên cùng chỉ nhỏ hơn diện tích mặt bích tiếp xúc của thiết bị, trong trường hợp này, lớp chôn hoặc lớp mặt sau là cách đầu tiên để làm mát tốt hơn. Đối với gói trực tiếp hai cột, chúng ta có thể sử dụng chế độ đệm "xương chó" để tản nhiệt. Một số vít được sử dụng để lắp PCB cũng có thể là đường dẫn nhiệt hiệu quả đến đế hệ thống, nơi nhiệt vít được kết nối với đĩa hàn nóng và mặt phẳng mặt đất. Có tính đến độ dẫn nhiệt và chi phí, số lượng vít nên đạt đến điểm giảm dần lợi nhuận. Kim loại gia cố PCB có diện tích làm mát nhiều hơn sau khi gắn vào tấm dẫn nhiệt. Đối với một số ứng dụng nơi PCB được bao phủ bởi vỏ, các góc tròn của vật liệu hàn đặc biệt có hiệu suất nhiệt cao hơn vỏ làm mát bằng không khí. Các giải pháp làm mát như quạt và tản nhiệt cũng là phương pháp làm mát hệ thống phổ biến, 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 nhiệt của IC phụ thuộc vào khả năng của bảng mạch PCB và hệ thống làm mát để làm mát nhanh các thiết bị IC. Hiệu suất tản nhiệt của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng các phương pháp làm mát thụ động được mô tả ở trên.