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PCB冷卻技術及IC封裝的散熱

發布時間:2012-8-21 09:34    發布者:pcbwork01
關鍵詞: PCB
IC封裝依靠PCB來散熱。一般而言,PCB是高功耗半導體器件的主要冷卻方法。一款好的 PCB 散熱設計影響巨大,它可以讓系統良好運行,也可以埋下發生熱事故的隱患。謹慎處理PCB布局、板結構和器件貼裝有助于提高中高功耗應用的散熱性能。
  半導體制造公司很難控制使用其器件的系統。但是,安裝 IC 的系統對于整體器件性能而言至關重要。對于定制 IC 器件來說,系統設計人員通常會與制造廠商一起密切合作,以確保系統滿足高功耗器件的眾多散熱要求。這種早期的相互協作可以保證 IC 達到電氣標準和性能標準,同時保證在客戶的散熱系統內正常運行。許多大型半導體公司以標準件來出售器件,制造廠商與終端應用之間并沒有接觸。這種情況下,我們只能使用一些通用指導原則,來幫助實現一款較好的 IC 和系統無源散熱解決方案。
  普通半導體封裝類型為裸焊盤或者PowerPADTM式封裝。在這些封裝中,芯片被貼裝在一個被稱作芯片焊盤的金屬片上。這種芯片焊盤在芯片加工過程中對芯片起支撐作用,同時也是器件散熱的良好熱通路。當封裝的裸焊盤被焊接到 PCB 后,熱量能夠迅速地從封裝中散發出來,然后進入到 PCB 中。之后,通過各 PCB 層將熱散發出去,進入到周圍的空氣中。裸焊盤式封裝一般可以傳導約 80% 的熱量,這些熱通過封裝底部進入到 PCB。剩余 20% 的熱通過器件導線和封裝各個面散發出去。只有不到 1% 的熱量通過封裝頂部散發。就這些裸焊盤式封裝而言,良好的 PCB 散熱設計對于確保一定的器件性能至關重要。
  可以提高熱性能的PCB設計第一個方面便是 PCB 器件布局。只要是有可能,PCB 上的高功耗組件都應彼此隔開。這種高功耗組件之間的物理間隔,可讓每個高功耗組件周圍的 PCB 面積最大化,從而有助于實現更好的熱傳導。應注意將 PCB 上的溫度敏感型組件與高功耗組件隔離開。在任何可能的情況下,高功耗組件的安裝位置都應遠離 PCB 拐角。更為中間的 PCB 位置,可以最大化高功耗組件周圍的板面積,從而幫助散熱。圖 2 顯示了兩個完全相同的半導體器件:組件 A 和 B。組件A 位于 PCB 的拐角處,有一個比組件 B 高 5% 的芯片結溫,因為組件 B 的位置更靠中間一些。由于用于散熱的組件周圍板面積更小,因此組件 A 的拐角位置的散熱受到限制。
  第二個方面是PCB的結構,其對 PCB 設計熱性能最具決定性影響的一個方面。一般原則是:PCB 的銅越多,系統組件的熱性能也就越高。半導體器件的理想散熱情況是芯片貼裝在一大塊液冷銅上。對大多數應用而言,這種貼裝方法并不切實際,因此我們只能對 PCB 進行其他一些改動來提高散熱性能。對于今天的大多數應用而言,系統總體積不斷縮小,對散熱性能產生了不利的影響。更大的 PCB,其可用于熱傳導的面積也就越大,同時也擁有更大靈活性,可在各高功耗組件之間留有足夠的空間。
  在任何可能的情況下,都要最大化 PCB 銅接地層的數量和厚度。接地層銅的重量一般較大,它是整個 PCB 散熱的極好熱通路。對于各層的安排布線,也會增加用于熱傳導的銅的總比重。但是,這種布線通常是電熱隔離進行的,從而限制其作為潛在散熱層的作用。對器件接地層的布線,應在電方面盡可能地與許多接地層一樣,這樣便可幫助最大化熱傳導。位于半導體器件下方 PCB 上的散熱通孔,幫助熱量進入到 PCB 的各隱埋層,并傳導至電路板的背部。
  對提高散熱性能來說,PCB 的頂層和底層是“黃金地段”。使用更寬的導線,在遠離高功耗器件的地方布線,可以為散熱提供熱通路。專用導熱板是 PCB 散熱的一種極好方法。導熱板一般位于 PCB 的頂部或者背部,并通過直接銅連接或者熱通孔,熱連接至器件。內聯封裝的情況下(僅兩側有引線的封裝),這種導熱板可以位于 PCB 的頂部,形狀像一根“狗骨頭”(中間與封裝一樣窄小,遠離封裝的地方連接銅面積較大,中間小兩端大)。四側封裝的情況下(四側都有引線),導熱板必須位于 PCB 背部或者進入 PCB 內。
  增加導熱板尺寸是提高PowerPAD式封裝熱性能的一種極好方法。不同的導熱板尺寸對熱性能有極大的影響。以表格形式提供的產品數據表單一般會列舉出這些尺寸信息。但是,要對定制 PCB 增加的銅所產生影響進行量化,是一件很困難的事情。利用一些在線計算器,用戶可以選擇某個器件,然后改變銅墊尺寸的大小,便可以估算出其對非JEDEC PCB散熱性能的影響。這些計算工具,突出表明了 PCB 設計對散熱性能的影響程度。對四側封裝而言,頂部焊盤的面積剛好小于器件的裸焊盤面積,在此情況下,隱埋或者背部層是實現更好冷卻的首先方法。對于雙列直插式封裝來說,我們可以使用“狗骨頭”式焊盤樣式來散熱。
  最后,更大 PCB 的系統也可以用于冷卻。螺絲散熱連接至導熱板和接地層的情況下,用于安裝 PCB 的一些螺絲也可以成為通向系統底座的有效熱通路。考慮到導熱效果和成本,螺絲數量應為達到收益遞減點的最大值。在連接至導熱板以后,金屬 PCB 加強板擁有更多的冷卻面積。對于一些 PCB 罩有外殼的應用來說,型控焊補材料擁有比風冷外殼更高的熱性能。諸如風扇和散熱片等冷卻解決方案,也是系統冷卻的常用方法,但其通常會要求更多的空間,或者需要修改設計來優化冷卻效果。
  要想設計出一個具有較高熱性能的系統,光是選擇一種好的IC 器件和封閉解決方案還遠遠不夠。IC 的散熱性能調度依賴于 PCB,以及讓 IC 器件快速冷卻的散熱系統的能力大小。利用上述無源冷卻方法,可以極大地提高系統的散熱性能。
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fengnl 發表于 2012-8-30 08:42:05
hao
fengnl 發表于 2012-8-30 08:44:19
hao
zhangyonghe 發表于 2012-8-30 09:54:47
銅大,孔多,開錫窗
liugang1979 發表于 2012-8-31 08:22:56
感謝樓主,學習了。。。
alex.hu 發表于 2012-8-31 15:31:39
受教了
xlch 發表于 2012-9-2 17:35:12
學習了,謝謝了
ssppll99 發表于 2012-9-15 08:57:38
感謝樓主,學習了
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