引言
半導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重要。對于定制 IC 器件來說,，系統(tǒng)設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 達到電氣標準和性能標準,，同時保證在客戶的散熱系統(tǒng)內正常運行,。許多大型半導體公司以標準件來出售器件，制造廠商與終端應用之間并沒有接觸,。這種情況下,，我們只能使用一些通用指導原則，來幫助實現(xiàn)一款較好的 IC 和系統(tǒng)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 后,，熱量能夠迅速地從封裝中散發(fā)出來,，然后進入到 PCB 中。之后,，通過各 PCB 層將熱散發(fā)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,。剩余 20% 的熱通過器件導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 散熱設計對于確保一定的器件性能至關重要,。
Fig. 1： PowerPAD design showing thermal path
可以提高熱性能的 PCB 設計第一個方面便是 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,，從而有助于實現(xiàn)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的結構,，其對 PCB 設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)應用而言,，這種貼裝方法并不切實際,，因此我們只能對 PCB 進行其他一些改動來提高散熱性能。對于今天的大多數(shù)應用而言,，系統(tǒng)總體積不斷縮小,，對散熱性能產生了不利的影響。更大的 PCB,，其可用于熱傳導的面積也就越大,，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,，從而限制其作為潛在散熱層的作用。對器件接地層的布線,，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。
對提高散熱性能來說,，PCB 的頂層和底層是“黃金地段”,。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。內聯(lián)封裝的情況下（僅兩側有引線的封裝）,，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），導熱板必須位于 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(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 設計對散熱性能的影響程度。對四側封裝而言,，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,?？紤]到導熱效果和成本，螺絲數(shù)量應為達到收益遞減點的最大值,。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,，或者需要修改設計來優(yōu)化冷卻效果。
要想設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遠不夠。IC 的散熱性能調度依賴于 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,。