利用PCB散熱的要領與IC封裝策略
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引言
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/186493.htm半導體制造公司很難控制使用其器件的系統(tǒng)。但是，安裝IC的系統(tǒng)對于整體器件性能而言至關(guān)重要。對于定制IC器件來說，系統(tǒng)設計人員通常會與制造廠商一起密切合作，以確保系統(tǒng)滿足高功耗器件的眾多散熱要求。這種早期的相互協(xié)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(tǒng)內(nèi)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(xiàn)一款較好的IC和系統(tǒng)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(fā)出來，然后進入到PCB中。之后，通過各PCB層將熱散發(fā)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(fā)出去。只有不到1%的熱量通過封裝頂部散發(fā)。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(guān)重要。
Fig.1：PowerPADdesignshowingthermalpath
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(xiàn)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(jié)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。
圖2組件布局對熱性能的影響。PCB拐角組件的芯片溫度比中間組件更高
第二個方面是PCB的結(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(shù)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(shù)應用而言，系統(tǒng)總體積不斷縮小，對散熱性能產(chǎn)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(shù)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(nèi)聯(lián)封裝的情況下（僅兩側(cè)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(cè)封裝的情況下（四側(cè)都有引線），導熱板必須位于PCB背部或者進入PCB內(nèi)。
圖3雙列直插式封裝的“狗骨頭”形方法舉例
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(chǎn)品數(shù)據(jù)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(chǎn)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JEDECPCB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(cè)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)底座的有效熱通路?？紤]到導熱效果和成本，螺絲數(shù)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(tǒng)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(yōu)化冷卻效果。
要想設計出一個具有較高熱性能的系統(tǒng)，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(diào)度依賴于PCB，以及讓IC器件快速冷卻的散熱系統(tǒng)的能力大小。利用上述無源冷卻方法，可以極大地提高系統(tǒng)的散熱性能。
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