印刷電路板冷卻技術與IC封裝策略

表麵貼裝 IC 封裝依靠印刷電路板 （PCB） 來散熱。一般而言，PCB 是高功耗半導體器件的主要冷卻方法。一款好的 PCB 散熱設計影響巨大，它可以讓係統良好運行，也可以埋下發生熱事故的隱患。謹慎處理 PCB 布局、板結構和器件貼裝有助於提高中高功耗應用的散熱性能。

　　引言

　　半導體製造公司很難控製使用其器件的係統。但是，安裝 IC 的係統對於整體器件性能而言至關重要。對於定製 IC 器件來說，係統設計人員通常會與製造廠商一起密切合作，以確保係統滿足高功耗器件的眾多散熱要求。這種早期的相互協作可以保證 IC 達到電氣標準和性能標準，同時保證在客戶的散熱係統內正常運行。許多大型半導體公司以標準件來出售器件，製造廠商與終端應用之間並冇有接觸。這種情況下，我們隻能使用一些通用指導原則，來幫助實現一款較好的 IC 和係統無源散熱解決方案。

　　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 後，熱量能夠迅速地從封裝中散發出來，然後進入到 PCB 中。之後，通過各 PCB 層將熱散發出去，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。剩餘 20% 的熱通過器件導線和封裝各個麵散發出去。隻有不到 1% 的熱量通過封裝頂部散發。就這些裸焊盤式封裝而言，良好的 PCB 散熱設計對於確保一定的器件性能至關重要。

　　圖 1 PowerPAD設計

　　可以提高熱性能的 PCB 設計**個方麵便是 PCB 器件布局。隻要是有可能，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 麵積*大化，從而有助於實現更好的熱傳導。應注意將 PCB 上的溫度敏感型組件與高功耗組件隔離開。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*大化高功耗組件周圍的板麵積，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 位於 PCB 的拐角處，有一個比組件 B 高 5% 的芯片結溫，因為組件 B 的位置更靠中間一些。由於用於散熱的組件周圍板麵積更小，因此組件 A 的拐角位置的散熱受到限製。

　　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。

　　**個方麵是PCB的結構，其對 PCB 設計熱性能*具決定性影響的一個方麵。一般原則是：PCB 的銅越多，係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，這種貼裝方法並不切實際，因此我們隻能對 PCB 進行其他一些改動來提高散熱性能。對於今天的大多數應用而言，係統總體積不斷縮小，對散熱性能產生了不利的影響。更大的 PCB，其可用於熱傳導的麵積也就越大，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*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 PCB 散熱的極好熱通路。對於各層的安排布線，也會增加用於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，從而限製其作為潛在散熱層的作用。對器件接地層的布線，應在電方麵儘可能地與許多接地層一樣，這樣便可幫助*大化熱傳導。位於半導體器件下方 PCB 上的散熱通孔，幫助熱量進入到 PCB 的各隱埋層，並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“****”。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。導熱板一般位於 PCB 的頂部或者背部，並通過直接銅連接或者熱通孔，熱連接至器件。內聯封裝的情況下（僅兩側有引線的封裝），這種導熱板可以位於 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麵積較大，中間小兩端大）。四側封裝的情況下（四側都有引線），導熱板必須位於 PCB 背部或者進入 PCB 內。

　　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品數據表單一般會列舉出這些尺寸信息。但是，要對定製 PCB 增加的銅所產生影響進行量化，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，然後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 設計對散熱性能的影響程度。對四側封裝而言，頂部焊盤的麵積剛好小於器件的裸焊盤麵積，在此情況下，隱埋或者背部層是實現更好冷卻的首先方法。對於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。

　　*後，更大 PCB 的係統也可以用於冷卻。螺絲散熱連接至導熱板和接地層的情況下，用於安裝 PCB 的一些螺絲也可以成為通向係統底座的有效熱通路。考慮到導熱效果和成本，螺絲數量應為達到收益遞減點的*大值。在連接至導熱板以後，金屬 PCB 加強板擁有更多的冷卻麵積。對於一些 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，也是係統冷卻的常用方法，但其通常會要求更多的空間，或者需要修改設計來優化冷卻效果。

　　要想設計出一個具有較高熱性能的係統，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於 PCB，以及讓 IC 器件快速冷卻的散熱係統的能力大小。利用上述無源冷卻方法，可以極大地提高係統的散熱性能。