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PCB冷却技术及IC封装的散热

来源:http://www.pcbwork.net 作者:站长 时间:2012-07-10 10:16:45

  IC封装依靠PCB来散热。一般而言,PCB是高功耗半导体器件的主要冷却方法。一款好的 PCB 散热设计影响巨大,它可以让系统良好运行,也可以埋下发生热事故的隐患。谨慎处理PCB布局、板结构和器件贴装有助于提高中高功耗应用的散热性能。
  半导体制造公司很难控制使用其器件的系统。但是,安装 IC 的系统对于整体器件性能而言至关重要。对于定制 IC 器件来说,系统设计人员通常会与制造厂商一起密切合作,以确保系统满足高功耗器件的众多散热要求。这种早期的相互协作可以保证 IC 达到电气标准和性能标准,同时保证在客户的散热系统内正常运行。许多大型半导体公司以标准件来出售器件,制造厂商与终端应用之间并没有接触。这种情况下,我们只能使用一些通用指导原则,来帮助实现一款较好的 IC 和系统无源散热解决方案。
  普通半导体封装类型为裸焊盘或者PowerPADTM式封装。在这些封装中,芯片被贴装在一个被称作芯片焊盘的金属片上。这种芯片焊盘在芯片加工过程中对芯片起支撑作用,同时也是器件散热的良好热通路。当封装的裸焊盘被焊接到 PCB 后,热量能够迅速地从封装中散发出来,然后进入到 PCB 中。之后,通过各 PCB 层将热散发出去,进入到周围的空气中。裸焊盘式封装一般可以传导约 80% 的热量,这些热通过封装底部进入到 PCB。剩余 20% 的热通过器件导线和封装各个面散发出去。只有不到 1% 的热量通过封装顶部散发。就这些裸焊盘式封装而言,良好的 PCB 散热设计对于确保一定的器件性能至关重要。
  可以提高热性能的 PCB设计第一个方面便是 PCB 器件布局。只要是有可能,PCB 上的高功耗组件都应彼此隔开。这种高功耗组件之间的物理间隔,可让每个高功耗组件周围的 PCB 面积最大化,从而有助于实现更好的热传导。应注意将 PCB 上的温度敏感型组件与高功耗组件隔离开。在任何可能的情况下,高功耗组件的安装位置都应远离 PCB 拐角。更为中间的 PCB 位置,可以最大化高功耗组件周围的板面积,从而帮助散热。图 2 显示了两个完全相同的半导体器件:组件 A 和 B。组件A 位于 PCB 的拐角处,有一个比组件 B 高 5% 的芯片结温,因为组件 B 的位置更靠中间一些。由于用于散热的组件周围板面积更小,因此组件 A 的拐角位置的散热受到限制。
  第二个方面是PCB的结构,其对 PCB 设计热性能最具决定性影响的一个方面。一般原则是:PCB 的铜越多,系统组件的热性能也就越高。半导体器件的理想散热情况是芯片贴装在一大块液冷铜上。对大多数应用而言,这种贴装方法并不切实际,因此我们只能对 PCB 进行其他一些改动来提高散热性能。对于今天的大多数应用而言,系统总体积不断缩小,对散热性能产生了不利的影响。更大的 PCB,其可用于热传导的面积也就越大,同时也拥有更大灵活性,可在各高功耗组件之间留有足够的空间。
  在任何可能的情况下,都要最大化 PCB 铜接地层的数量和厚度。接地层铜的重量一般较大,它是整个 PCB 散热的极好热通路。对于各层的安排布线,也会增加用于热传导的铜的总比重。但是,这种布线通常是电热隔离进行的,从而限制其作为潜在散热层的作用。对器件接地层的布线,应在电方面尽可能地与许多接地层一样,这样便可帮助最大化热传导。位于半导体器件下方 PCB 上的散热通孔,帮助热量进入到 PCB 的各隐埋层,并传导至电路板的背部。
  对提高散热性能来说,PCB 的顶层和底层是“黄金地段”。使用更宽的导线,在远离高功耗器件的地方布线,可以为散热提供热通路。专用导热板是 PCB 散热的一种极好方法。导热板一般位于 PCB 的顶部或者背部,并通过直接铜连接或者热通孔,热连接至器件。内联封装的情况下(仅两侧有引线的封装),这种导热板可以位于 PCB 的顶部,形状像一根“狗骨头”(中间与封装一样窄小,远离封装的地方连接铜面积较大,中间小两端大)。四侧封装的情况下(四侧都有引线),导热板必须位于 PCB 背部或者进入 PCB 内。
  增加导热板尺寸是提高PowerPAD式封装热性能的一种极好方法。不同的导热板尺寸对热性能有极大的影响。以表格形式提供的产品数据表单一般会列举出这些尺寸信息。但是,要对定制 PCB 增加的铜所产生影响进行量化,是一件很困难的事情。利用一些在线计算器,用户可以选择某个器件,然后改变铜垫尺寸的大小,便可以估算出其对非JEDEC PCB散热性能的影响。这些计算工具,突出表明了 PCB 设计对散热性能的影响程度。对四侧封装而言,顶部焊盘的面积刚好小于器件的裸焊盘面积,在此情况下,隐埋或者背部层是实现更好冷却的首先方法。对于双列直插式封装来说,我们可以使用“狗骨头”式焊盘样式来散热。
  最后,更大 PCB 的系统也可以用于冷却。螺丝散热连接至导热板和接地层的情况下,用于安装 PCB 的一些螺丝也可以成为通向系统底座的有效热通路。考虑到导热效果和成本,螺丝数量应为达到收益递减点的最大值。在连接至导热板以后,金属 PCB 加强板拥有更多的冷却面积。对于一些 PCB 罩有外壳的应用来说,型控焊补材料拥有比风冷外壳更高的热性能。诸如风扇和散热片等冷却解决方案,也是系统冷却的常用方法,但其通常会要求更多的空间,或者需要修改设计来优化冷却效果。
  要想设计出一个具有较高热性能的系统,光是选择一种好的IC 器件和封闭解决方案还远远不够。IC 的散热性能调度依赖于 PCB,以及让 IC 器件快速冷却的散热系统的能力大小。利用上述无源冷却方法,可以极大地提高系统的散热性能。
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