印刷電路板冷卻技術(shù)與IC封裝策略

摘要

表面貼裝 IC 封裝依靠印刷電路板 (PCB) 來散熱。一般而言，PCB 是高功耗半導(dǎo)體器件的主要冷卻方法。一款好的 PCB 散熱設(shè)計影響巨大，它可以讓系統(tǒng)良好運(yùn)行，也可以埋下發(fā)生熱事故的隱患。謹(jǐn)慎處理 PCB 布局、板結(jié)構(gòu)和器件貼裝有助于提高中高功耗應(yīng)用的散熱性能。

引言

半導(dǎo)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(shè)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(dá)到電氣標(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)，同時保證在客戶的散熱系統(tǒng)內(nèi)正常運(yùn)行。許多大型半導(dǎo)體公司以標(biāo)準(zhǔn)件來出售器件，制造廠商與終端應(yīng)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(dǎo)原則，來幫助實(shí)現(xiàn)一款較好的 IC 和系統(tǒng)無源散熱解決方案。

普通半導(dǎo)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(dāng)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(jìn)入到 PCB 中。之后，通過各 PCB 層將熱散發(fā)出去，進(jìn)入到周圍的空氣中。裸焊盤式封裝一般可以傳導(dǎo)約 80% 的熱量，這些熱通過封裝底部進(jìn)入到 PCB。剩余 20% 的熱通過器件導(dǎo)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(shè)計對于確保一定的器件性能至關(guān)重要。

圖 1 PowerPAD 設(shè)計

可以提高熱性能的 PCB 設(shè)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(yīng)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(shí)現(xiàn)更好的熱傳導(dǎo)。應(yīng)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(yīng)遠(yuǎn)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(dǎo)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?yàn)榻M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(shè)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(dǎo)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(yīng)用而言，這種貼裝方法并不切實(shí)際，因此我們只能對 PCB 進(jìn)行其他一些改動來提高散熱性能。對于今天的大多數(shù)應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)的銅的總比重。但是，這種布線通常是電熱隔離進(jìn)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(yīng)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(dǎo)。位于半導(dǎo)體器件下方 PCB 上的散熱通孔，幫助熱量進(jìn)入到 PCB 的各隱埋層，并傳導(dǎo)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(dǎo)線，在遠(yuǎn)離高功耗器件的地方布線，可以為散熱提供熱通路。專用導(dǎo)熱板是 PCB 散熱的一種極好方法。導(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)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(dǎo)熱板必須位于 PCB 背部或者進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(shè)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(shí)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(dǎo)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。考慮到導(dǎo)熱效果和成本，螺絲數(shù)量應(yīng)為達(dá)到收益遞減點(diǎn)的最大值。在連接至導(dǎo)熱板以后，金屬 PCB 加強(qiáng)板擁有更多的冷卻面積。對于一些 PCB 罩有外殼的應(yīng)用來說，型控焊補(bǔ)材料擁有比風(fēng)冷外殼更高的熱性能。諸如風(fēng)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(shè)計來優(yōu)化冷卻效果。

要想設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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。

參考文獻(xiàn)

如欲了解散熱封裝的更多詳情，請下載下列文檔：

1. PowerPad 應(yīng)用手冊，請點(diǎn)擊：www.ti.com/powerpad_slma002d-ca
2. PCB 散熱計算器：Web 應(yīng)用：www.ti.com/pcbthermalcalc-ca。

作者簡介

Sandra Horton 現(xiàn)就職于 TI 模擬封裝產(chǎn)品部，是散熱建模的主要成員。自 2007 年以來他一直擔(dān)任 TI Thermal Council 副主席。她主要負(fù)責(zé)客戶支持和開發(fā)建模，其中包括車載產(chǎn)品。Sandra 畢業(yè)于得克薩斯 AM 大學(xué) (Texas AM University)，獲機(jī)械工程學(xué)學(xué)士。如欲聯(lián)系作者，請發(fā)送郵件至ti_sandrahorton@list.ti.com。