印刷电路板冷却技术与IC封装策略

作者：Sandra Horton，德州仪器 (TI) 封装工程师

表面贴装 IC 封装依靠印刷电路板 (PCB) 来散热。一般而言，PCB 是高功耗半导体器件的主要冷却方法。一款好的 PCB 散热设计影响巨大，它可以让系统良好运行，也可以埋下发生热事故的隐患。谨慎处理 PCB 布局、板结构和器件贴装有助于提高中高功耗应用的散热性能。

半导体制造公司很难控制使用其器件的系统。但是，安装 IC 的系统对于整体器件性能而言至关重要。对于定制 IC 器件来说，系统设计人员通常会与制造厂商一起密切合作，以确保系统满足高功耗器件的众多散热要求。这种早期的相互协作可以保证 IC 达到电气标准和性能标准，同时保证在客户的散热系统内正常运行。许多大型半导体公司以标准件来出售器件，制造厂商与终端应用之间并没有接触。这种情况下，我们只能使用一些通用指导原则，来帮助实现一款较好的 IC 和系统无源散热解决方案。

普通半导体封装类型为裸焊盘或者 PowerPADTM 式封装。在这些封装中，芯片被贴装在一个被称作芯片焊盘的金属片上。这种芯片焊盘在芯片加工过程中对芯片起支撑作用，同时也是器件散热的良好热通路。当封装的裸焊盘被焊接到 PCB 后，热量能够迅速地从封装中散发出来，然后进入到 PCB 中。之后，通过各 PCB 层将热散发出去，进入到周围的空气中。裸焊盘式封装一般可以传导约 80% 的热量，这些热通过封装底部进入到 PCB。剩余 20% 的热通过器件导线和封装各个面散发出去。只有不到 1% 的热量通过封装顶部散发。就这些裸焊盘式封装而言，良好的 PCB 散热设计对于确保一定的器件性能至关重要。

可以提高热性能的 PCB 设计第一个方面便是 PCB 器件布局。只要是有可能，PCB 上的高功耗组件都应彼此隔开。这种高功耗组件之间的物理间隔，可让每个高功耗组件周围的 PCB 面积最大化，从而有助于实现更好的热传导。应注意将 PCB 上的温度敏感型组件与高功耗组件隔离开。在任何可能的情况下，高功耗组件的安装位置都应远离 PCB 拐角。更为中间的 PCB 位置，可以最大化高功耗组件周围的板面积，从而帮助散热。图 2 显示了两个完全相同的半导体器件：组件 A 和 B。组件A 位于 PCB 的拐角处，有一个比组件 B 高 5% 的芯片结温，因为组件 B 的位置更靠中间一些。由于用于散热的组件周围板面积更小，因此组件 A 的拐角位置的散热受到限制。

第二个方面是PCB的结构，其对 PCB 设计热性能最具决定性影响的一个方面。一般原则是：PCB 的铜越多，系统组件的热性能也就越高。半导体器件的理想散热情况是芯片贴装在一大块液冷铜上。对大多数应用而言，这种贴装方法并不切实际，因此我们只能对 PCB 进行其他一些改动来提高散热性能。对于今天的大多数应用而言，系统总体积不断缩小，对散热性能产生了不利的影响。更大的 PCB，其可用于热传导的面积也就越大，同时也拥有更大灵活性，可在各高功耗组件之间留有足够的空间。

在任何可能的情况下，都要最大化 PCB 铜接地层的数量和厚度。接地层铜的重量一般较大，它是整个 PCB 散热的极好热通路。对于各层的安排布线，也会增加用于热传导的铜的总比重。但是，这种布线通常是电热隔离进行的，从而限制其作为潜在散热层的作用。对器件接地层的布线，应在电方面尽可能地与许多接地层一样，这样便可帮助最大化热传导。位于半导体器件下方 PCB 上的散热通孔，帮助热量进入到 PCB 的各隐埋层，并传导至电路板的背部。

对提高散热性能来说，PCB 的顶层和底层是“黄金地段”。使用更宽的导线，在远离高功耗器件的地方布线，可以为散热提供热通路。专用导热板是 PCB 散热的一种极好方法。导热板一般位于 PCB 的顶部或者背部，并通过直接铜连接或者热通孔，热连接至器件。内联封装的情况下（仅两侧有引线的封装），这种导热板可以位于 PCB 的顶部，形状像一根“狗骨头”（中间与封装一样窄小，远离封装的地方连接铜面积较大，中间小两端大）。四侧封装的情况下（四侧都有引线），导热板必须位于 PCB 背部或者进入 PCB 内。

增加导热板尺寸是提高 PowerPAD 式封装热性能的一种极好方法。不同的导热板尺寸对热性能有极大的影响。以表格形式提供的产品数据表单一般会列举出这些尺寸信息。但是，要对定制 PCB 增加的铜所产生影响进行量化，是一件很困难的事情。利用一些在线计算器，用户可以选择某个器件，然后改变铜垫尺寸的大小，便可以估算出其对非 JEDEC PCB 散热性能的影响。这些计算工具，突出表明了 PCB 设计对散热性能的影响程度。对四侧封装而言，顶部焊盘的面积刚好小于器件的裸焊盘面积，在此情况下，隐埋或者背部层是实现更好冷却的首先方法。对于双列直插式封装来说，我们可以使用“狗骨头”式焊盘样式来散热。

最后，更大 PCB 的系统也可以用于冷却。螺丝散热连接至导热板和接地层的情况下，用于安装 PCB 的一些螺丝也可以成为通向系统底座的有效热通路。考虑到导热效果和成本，螺丝数量应为达到收益递减点的最大值。在连接至导热板以后，金属 PCB 加强板拥有更多的冷却面积。对于一些 PCB 罩有外壳的应用来说，型控焊补材料拥有比风冷外壳更高的热性能。诸如风扇和散热片等冷却解决方案，也是系统冷却的常用方法，但其通常会要求更多的空间，或者需要修改设计来优化冷却效果。

要想设计出一个具有较高热性能的系统，光是选择一种好的IC 器件和封闭解决方案还远远不够。IC 的散热性能调度依赖于 PCB，以及让 IC 器件快速冷却的散热系统的能力大小。利用上述无源冷却方法，可以极大地提高系统的散热性能。