詳解最新PCB技術(shù)

熱量管理挑戰(zhàn)在遇到安裝包含多內(nèi)核處理器的PCB時(shí)將變得更加艱巨。雖然處理器陣列中的每個(gè)處理器內(nèi)核與單內(nèi)核處理器相比可能消耗較少的功率因而散發(fā)較少的熱量，但對(duì)大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器的凈效應(yīng)是給數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)增加了更多的散熱。簡(jiǎn)言之，在給定面積的PCB板上運(yùn)行更多的處理器內(nèi)核。

另外一個(gè)棘手的IC熱管理問(wèn)題涉及到芯片封裝上出現(xiàn)的熱點(diǎn)。熱通量可以高達(dá)1000Wcm2這是一種難以跟蹤的狀態(tài)。

PCB在熱管理中發(fā)揮著重要作用，因此需要熱量設(shè)計(jì)版圖。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該盡可能使大功率元件相互間隔得越遠(yuǎn)越好。另外，這些大功率元件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離PCB的角落，這將有助于最大化功率元件周?chē)腜CB面積，加快熱量散發(fā)。

將裸露的電源焊盤(pán)焊接到PCB上是常見(jiàn)的做法。一般來(lái)說(shuō)，裸露焊盤(pán)類(lèi)型的電源焊盤(pán)可以傳導(dǎo)約80的通過(guò)IC封裝底部產(chǎn)生并進(jìn)入PCB的熱量。剩下的熱量將從封裝側(cè)面和引線(xiàn)散發(fā)掉。

散熱幫手設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在可以向許多改良的熱管理產(chǎn)品尋求幫助。這些產(chǎn)品包括散熱器、熱導(dǎo)管和風(fēng)扇，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和被動(dòng)的對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)冷卻。即使是PCB上安裝芯片的互連方式也有助于減輕散熱問(wèn)題。

例如，用于將IC芯片互連到PCB的普通裸露焊盤(pán)方法可能會(huì)增加散熱問(wèn)題。當(dāng)把裸露的路徑焊接到PCB上時(shí)，熱量會(huì)很快逸出封裝并進(jìn)入電路板，然后通過(guò)電路板的各個(gè)層散發(fā)進(jìn)周?chē)目諝狻?/p>

德州儀器TI發(fā)明了一種PowerPAD方法，能把IC裸片安裝到金屬盤(pán)上。這個(gè)裸片焊盤(pán)將在制造過(guò)程中支撐裸片，并作為良好的散熱路徑將熱量從芯片中散發(fā)出去。

TI公司的模擬封裝產(chǎn)品經(jīng)理MattRomig指出，TI的PowerStack方法是第一種可以堆疊高側(cè)垂直MOSFET的3D封裝技術(shù)。這種技術(shù)將由銅夾固定位置的高側(cè)和低側(cè)MOSFET整合在一起，并使用地電位的裸露焊盤(pán)提供熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用兩個(gè)銅夾連接輸入和輸出電壓引腳可以形成更高集成度的扁平方形無(wú)引線(xiàn)QFN封裝功率器件的熱量管理具有更大的挑戰(zhàn)性。更高頻率的信號(hào)處理和縮小封裝尺寸的需求使傳統(tǒng)冷卻技術(shù)逐漸邊緣化。AdvancedThermalSolutions公司總裁兼首席執(zhí)行官KaverAzar建議使用帶水冷式微通道的嵌入式薄膜熱電器件。

Azar構(gòu)想了這樣一個(gè)解決方案：最大限度地減小散熱路徑中的最大熱阻擴(kuò)散熱阻，方法是將一個(gè)散熱裝置直接綁定到微處理器裸片。

這種方法可以將小型微處理器裸片上聚集的熱量發(fā)散到更大的散熱器基座上，然后再將熱量散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。這種內(nèi)置強(qiáng)制熱擴(kuò)散器在硅封裝中整合了微通道和迷你通道。通道內(nèi)的水流速度大約為05至1升分鐘。

仿真結(jié)果表明，在球柵陣列BGA封裝中的1010mm裸片上，一個(gè)120120mm的散熱器底盤(pán)面積可以產(chǎn)生0055KW的熱阻。使用熱導(dǎo)率等于或大于鉆石的散熱材料可以產(chǎn)生0030KW的熱阻。

NextremeThermalSolutions公司營(yíng)銷(xiāo)與業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁PaulMagill也推薦熱電冷卻技術(shù)，并宣稱(chēng)應(yīng)從芯片級(jí)開(kāi)始冷卻。該公司提供電子元件內(nèi)部深度的局部熱管理技術(shù)。該技術(shù)使用了名為熱泵的微型薄膜熱電eTEC結(jié)構(gòu)。這種主動(dòng)散熱材料被嵌入倒裝芯片互連如銅柱焊錫凸塊供在電子封裝中使用。

在芯片晶圓、裸片和封裝級(jí)實(shí)現(xiàn)局部冷卻可以產(chǎn)生重要的經(jīng)濟(jì)效益。例如，在擁有成千上百個(gè)先進(jìn)微處理器的數(shù)據(jù)中心，這種方法的效率要比使用價(jià)格更高、體積更大的空調(diào)系統(tǒng)散熱高得多。

在像LED等一些器件中，組合使用被動(dòng)和主動(dòng)冷卻技術(shù)可以提高器件性能和壽命。例如，在散熱器中使用風(fēng)扇通?？梢詫嶙铚p小到05W這與單獨(dú)使用被動(dòng)冷卻散熱器達(dá)到的典型10W相比有顯著的改善。

重復(fù)仿真熱量控制一直是而且還將繼續(xù)是實(shí)現(xiàn)更高IC性能的限制因素之一。在這些越來(lái)越小的IC及它們的封裝中，空間越來(lái)越寶貴，幾乎沒(méi)有空間留出來(lái)幫助冷卻。這迫使設(shè)計(jì)工程師考慮使用外部冷卻技術(shù)以及不斷改進(jìn)的新型冷卻材料。

不管怎樣，基本的前提仍然成立：設(shè)計(jì)工程師必須更多地關(guān)注熱力科學(xué)才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻解決方案。整個(gè)過(guò)程應(yīng)從熱分析軟件開(kāi)始，這遠(yuǎn)早于設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)之時(shí)。