利用PCB散熱的要領(lǐng)與IC封裝策略

引言

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(guān)重要。對于定制IC器件來(lái)說(shuō)，系統設計人員通常會(huì )與制造廠(chǎng)商一起密切合作，以確保系統滿(mǎn)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(shí)保證在客戶(hù)的散熱系統內正常運行。許多大型半導體公司以標準件來(lái)出售器件，制造廠(chǎng)商與終端應用之間并沒(méi)有接觸。這種情況下，我們只能使用一些通用指導原則，來(lái)幫助實(shí)現一款較好的IC和系統無(wú)源散熱解決方案。

普通半導體封裝類(lèi)型為裸焊盤(pán)或者PowerPADTM式封裝。在這些封裝中，芯片被貼裝在一個(gè)被稱(chēng)作芯片焊盤(pán)的金屬片上。這種芯片焊盤(pán)在芯片加工過(guò)程中對芯片起支撐作用，同時(shí)也是器件散熱的良好熱通路。當封裝的裸焊盤(pán)被焊接到PCB后，熱量能夠迅速地從封裝中散發(fā)出來(lái)，然后進(jìn)入到PCB中。之后，通過(guò)各PCB層將熱散發(fā)出去，進(jìn)入到周?chē)目諝庵?。裸焊盤(pán)式封裝一般可以傳導約80%的熱量，這些熱通過(guò)封裝底部進(jìn)入到PCB。剩余20%的熱通過(guò)器件導線(xiàn)和封裝各個(gè)面散發(fā)出去。只有不到1%的熱量通過(guò)封裝頂部散發(fā)。就這些裸焊盤(pán)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。

可以提高熱性能的PCB設計第一個(gè)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(kāi)。這種高功耗組件之間的物理間隔，可讓每個(gè)高功耗組件周?chē)腜CB面積最大化，從而有助于實(shí)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(kāi)。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?chē)陌迕娣e，從而幫助散熱。圖2顯示了兩個(gè)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(gè)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?chē)迕娣e更小，因此組件A的拐角位置的散熱受到限制。

第二個(gè)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(gè)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(shí)際，因此我們只能對PCB進(jìn)行其他一些改動(dòng)來(lái)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(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(shí)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(gè)PCB散熱的極好熱通路。對于各層的安排布線(xiàn)，也會(huì )增加用于熱傳導的銅的總比重。但是，這種布線(xiàn)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(xiàn)，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(jìn)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(lái)說(shuō)，PCB的頂層和底層是“黃金地段”。使用更寬的導線(xiàn)，在遠離高功耗器件的地方布線(xiàn)，可以為散熱提供熱通路。專(zhuān)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(guò)直接銅連接或者熱通孔，熱連接至器件。內聯(lián)封裝的情況下（僅兩側有引線(xiàn)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(xiàn)），導熱板必須位于PCB背部或者進(jìn)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(chǎn)品數據表單一般會(huì )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(xiàn)計算器，用戶(hù)可以選擇某個(gè)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。對四側封裝而言，頂部焊盤(pán)的面積剛好小于器件的裸焊盤(pán)面積，在此情況下，隱埋或者背部層是實(shí)現更好冷卻的首先方法。對于雙列直插式封裝來(lái)說(shuō)，我們可以使用“狗骨頭”式焊盤(pán)樣式來(lái)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?？紤]到導熱效果和成本，螺絲數量應為達到收益遞減點(diǎn)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(lái)說(shuō)，型控焊補材料擁有比風(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，也是系統冷卻的常用方法，但其通常會(huì )要求更多的空間，或者需要修改設計來(lái)優(yōu)化冷卻效果。

要想設計出一個(gè)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(lài)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(wú)源冷卻方法，可以極大地提高系統的散熱性能。

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