PCB散热的要领与IC封装策略

　　引言

　　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。

　　Fig. 1： PowerPAD 设计所展示的热路径

　　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。

　　图 2 组件布局对热性能的影响。PCB 拐角组件的芯片温度比中间组件更高

　　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。