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利用開關(guān)電源之PCB散熱的要領(lǐng)可以做什么
來源:東莞市成良智能科技 發(fā)布時(shí)間:2019-10-29 點(diǎn)擊量:1073
表面貼裝IC封裝依靠印刷電路板(PCB)來散熱。一般而言,開關(guān)電源之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(jì)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)慎處理開關(guān)電源之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。
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(jì)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(shí)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(gè)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(shí)也是器件散熱的良好熱通路。當(dāng)封裝的裸焊盤被焊接到開關(guān)電源之PCB后,熱量能夠迅速地從封裝中散發(fā)出來,然后進(jìn)入到開關(guān)電源之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(gè)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 開關(guān)電源之PCB 散熱設(shè)計(jì)對于確保一定的器件性能至關(guān)重要。
可以提高熱性能的開關(guān)電源之PCB 設(shè)計(jì)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(yīng)彼此隔開。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)注意將開關(guān)電源之 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。更為中間的開關(guān)電源之 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。
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(gè) 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,開關(guān)電源之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 開關(guān)電源之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)熱板可以位于開關(guān)電源之 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)。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)。
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,更大開關(guān)電源之 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 開關(guān)電源之PCB 的一些螺絲可以成為通向系統(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。對于一些開關(guān)電源之 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(jì)來優(yōu)化冷卻效果。
要想設(shè)計(jì)出一個(gè)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。
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