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時將變得更加艱巨。雖然處理器陣列中的每個處理器內(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，但對大型計算機服務(wù)器的凈效應(yīng)是給數(shù)據(jù)中心的計算機系統(tǒng)增加了更多的散熱。簡言之，在給定面積的PCB板上運行更多的處理器內(nèi)核。

另外一個棘手的IC熱管理問題涉及到芯片封裝上出現(xiàn)的熱點。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)計版圖。設(shè)計工程師應(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圍的PCB面積，加快熱量散發(fā)。

將裸露的電源焊盤焊接到PCB上是常見的做法。一般來說，裸露焊盤類型的電源焊盤可以傳導(dǎo)約80的通過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)面和引線散發(fā)掉。

散熱幫手設(shè)計工程師現(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，可以用來實現(xiàn)主動和被動的對流、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題。

例如，用于將IC芯片互連到PCB的普通裸露焊盤方法可能會增加散熱問題。當(dāng)把裸露的路徑焊接到PCB上時，熱量會很快逸出封裝并進(jìn)入電路板，然后通過電路板的各個層散發(fā)進(jìn)周圍的空氣。

德州儀器TI發(fā)明了一種PowerPAD方法，能把IC裸片安裝到金屬盤上。這個裸片焊盤將在制造過程中支撐裸片，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提供熱優(yōu)化設(shè)計。采用兩個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引線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)到周圍環(huán)境中。這種內(nèi)置強制熱擴(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120120mm的散熱器底盤面積可以產(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公司營銷與業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁PaulMagill也推薦熱電冷卻技術(shù)，并宣稱應(yīng)從芯片級開始冷卻。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、裸片和封裝級實現(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，組合使用被動和主動冷卻技術(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這與單獨使用被動冷卻散熱器達(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)是實現(xiàn)更高IC性能的限制因素之一。在這些越來越小的IC及它們的封裝中，空間越來越寶貴，幾乎沒有空間留出來幫助冷卻。這迫使設(shè)計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)計工程師必須更多地關(guān)注熱力科學(xué)才能實現(xiàn)最優(yōu)的冷卻解決方案。整個過程應(yīng)從熱分析軟件開始，這遠(yuǎn)早于設(shè)計投入生產(chǎn)之時。