PCB-Technologie - Erklären Sie die neueste Leiterplattentechnologie im Detail

Die Herausforderung des Thermomanagements wird noch schwieriger, wenn es darum geht, Leiterplatten mit Mehrkernprozessoren zu installieren. Obwohl jeder Prozessorkern im Prozessorarray weniger Strom verbrauchen und somit weniger Wärme ableiten kann als ein Einzelkern-Prozessor, besteht der Nettoeffekt auf großen Computerservern darin, dem Computersystem im Rechenzentrum mehr Wärmeableitung hinzuzufügen. Kurz gesagt, lassen Sie mehr Prozessorkerne auf einem bestimmten Bereich der Leiterplatte laufen.

Ein weiteres heikles IC-Thermomanagement-Problem betrifft Hot Spots, die auf Chipverpackungen erscheinen. Der Wärmefluss kann bis zu 1000Wcm2 betragen, was ein schwer zu verfolgender Zustand ist.

PCB spielt eine wichtige Rolle im thermischen Management, daher ist ein thermisches Design-Layout erforderlich. Konstrukteure sollten Hochleistungskomponenten möglichst weit voneinander entfernt halten. Darüber hinaus sollten diese Hochleistungskomponenten so weit wie möglich von den Ecken der Leiterplatte entfernt sein, was dazu beiträgt, den Leiterplattenbereich um die Leistungskomponenten zu maximieren und die Wärmeableitung zu beschleunigen.

Das Löten des freigelegten Power Pads auf die Leiterplatte ist eine gängige Praxis. Im Allgemeinen kann das exponierte Pad-Typ-Power-Pad etwa 80% der Wärme leiten, die durch die Unterseite des IC-Pakets und in die Leiterplatte erzeugt wird. Die verbleibende Wärme wird von den Seiten und Leitungen der Verpackung abgeführt.

Thermoassistenten PCB-Design-Ingenieure können sich jetzt an viele verbesserte Thermomanagement-Produkte wenden, um Hilfe zu erhalten. Dazu gehören Heizkörper, Heatpipes und Ventilatoren, mit denen aktive und passive Konvektions-, Strahlungs- und Leitungskühlung erreicht werden kann. Selbst die Verbindungsmethode der Montage von Chips auf der Leiterplatte hilft, das Wärmeableitungsproblem zu lindern.

Zum Beispiel kann die übliche exponierte Pad-Methode, die zum Verbinden von IC-Chips mit Leiterplatten verwendet wird, Wärmeableitungsprobleme erhöhen. Wenn der exponierte Pfad mit der Leiterplatte gelötet wird, entweicht die Wärme schnell aus dem Paket und tritt in die Leiterplatte ein und leitet sich dann durch die verschiedenen Schichten der Leiterplatte in die Umgebungsluft ab.

Texas Instruments TI hat eine PowerPAD-Methode erfunden, mit der IC-Matrizen auf einer Metallscheibe montiert werden können. Dieses Matrizenpad unterstützt die Matrize während des Herstellungsprozesses und fungiert als guter Wärmeableitungspfad, um Wärme vom Chip abzuleiten.

Matt Romig, Produktmanager für analoge Verpackungen von TI, wies darauf hin, dass die PowerStack-Methode von TI die erste 3D-Verpackungstechnologie ist, die hochseitige vertikale MOSFETs stapeln kann. Diese Technologie integriert hochseitige und niederseitige MOSFETs, die durch Kupferclips in Position gebracht werden, und verwendet Massepotential exponierte Pads, um thermisch optimierte Designs zu liefern. Die Verwendung von zwei Kupferclips zum Verbinden der Ein- und Ausgangsspannungs-Pins kann ein integrierteres flaches quadratisches bleifreies QFN-Paket bilden. Das thermische Management von Leistungsgeräten stellt eine größere Herausforderung dar. Der Bedarf an hochfrequenter Signalverarbeitung und reduzierter Gehäusegröße hat die traditionelle Kühltechnologie allmählich marginalisiert. KaverAzar, Präsident und CEO von AdvancedThermalSolutions, schlug vor, eingebettete thermoelektrische Dünnschicht-Geräte mit wassergekühlten Mikrokanälen zu verwenden.

Azar konzipierte eine solche Lösung: Um den maximalen Wärmewiderstand im Wärmeableitungspfad, Diffusionsthermozidwiderstand, zu minimieren, indem ein Kühlkörper direkt an die Mikroprozessor-Matrize gebunden wird.

Diese Methode kann die auf dem kleinen Mikroprozessor-Matrize angesammelte Wärme zu einer größeren Kühlkörperbasis ableiten und dann die Wärme an die umgebende Umgebung ableiten. Dieser eingebaute Zwangswärme-Streuer integriert Mikro- und Mini-Kanäle in einem Silizium-Paket. Der Wasserfluss im Kanal beträgt ca. 05 bis 1 Liter min.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass auf dem 1010mm Matrize im BGA-Gehäuse ein 120120mm Kühlkörpergehäuse einen thermischen Widerstand von 0055KW erzeugen kann. Die Verwendung von Wärmeableitungsmaterialien mit Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als Diamant kann einen Wärmewiderstand von 0030KW erzeugen.

Paul Magill, Vice President Marketing und Business Development bei Nextreme Thermal Solutions, empfahl ebenfalls die thermoelektrische Kühltechnologie und erklärte, dass die Kühlung auf Chipebene beginnen sollte. Das Unternehmen bietet lokalisierte Thermomanagement-Technologie tief in elektronischen Komponenten. Diese Technologie verwendet eine Mikrofilm-thermoelektrische eTEC-Struktur, die Wärmepumpe genannt wird. Dieses aktive Wärmeableitungsmaterial ist in Flip-Chip-Verbindungen wie Kupfer-Säulen-Lötbumpen für den Einsatz in elektronischen Verpackungen eingebettet.

Das Erreichen einer lokalisierten Kühlung auf Chipwafer-, Matrize- und Verpackungsebene kann wichtige wirtschaftliche Vorteile bringen. In einem Rechenzentrum mit tausenden oder Hunderten fortschrittlicher Mikroprozessoren ist diese Methode zum Beispiel effizienter als die Verwendung einer teureren und größeren Klimaanlage zur Wärmeableitung.

Bei einigen Geräten wie LEDs kann der kombinierte Einsatz von passiven und aktiven Kühltechnologien die Geräteleistung und Lebensdauer verbessern. Beispielsweise kann der Einsatz eines Lüfters in einem Heizkörper im Allgemeinen den Wärmewiderstand auf 05W reduzieren, was eine signifikante Verbesserung gegenüber dem typischen 10W darstellt, der allein durch die Verwendung eines passiven Kühlers erreicht wird.

Wiederholte Simulationen der thermischen Regelung waren und bleiben einer der limitierenden Faktoren, um eine höhere IC-Leistung zu erreichen. In diesen immer kleineren ICs und ihren Paketen wird der Platz immer wertvoller und es bleibt fast kein Platz mehr, um beim Kühlen zu helfen. Dies zwingt Konstrukteure, den Einsatz externer Kühltechnik und kontinuierlich verbesserte Kühlmaterialien in Betracht zu ziehen.

In jedem Fall ist die Grundvoraussetzung immer noch wahr: PCB-Konstruktionsingenieure müssen der Wärmewissenschaft mehr Aufmerksamkeit widmen, um optimale Kühllösungen zu erzielen. Der gesamte Prozess sollte mit einer thermischen Analyse-Software beginnen, die viel früher ist als wenn das Design in Produktion genommen wird.