技术分享
摘要
表面贴装 IC 封装依靠印刷电路板 (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。
引言
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。
《电子系统设计》
图 1 PowerPAD 设计
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。
《电子系统设计》
图 2 组件布局对热性能的影响。PCB 拐角组件的芯片温度比中间组件更高。
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�。陨⑷刃阅懿瞬焕挠跋�。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�。独敕庾暗牡胤搅油婊洗螅屑湫×蕉舜螅�。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。
《电子系统设计》
图 3 双列直插式封装的“狗骨头”形方法举例
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�。憧梢怨浪愠銎涠苑� 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。
免责声明： 本文章转自其它平台，并不代表本站观点及立场。若有侵权或异议，请联系我们删除。谢谢！ Disclaimer: This article is reproduced from other platforms and does not represent the views or positions of this website. If there is any infringement or objection, please contact us to delete it. thank you! |
关注矽源特公众号
矽源特微信客服
发送邮件
商务QQ客服
13823761625
