详解最新PCB技术

热量管理挑战在遇到安装包含多内核处理器的PCB时将变得更加艰巨。虽然处理器阵列中的每个处理器内核与单内核处理器相比可能消耗较少的功率因而散发较少的热量，但对大型计算机服务器的净效应是给数据中心的计算机系统增加了更多的散热。简言之，在给定面积的PCB板上运行更多的处理器内核。

另外一个棘手的IC热管理问题涉及到芯片封装上出现的热点。热通量可以高达1000Wcm2这是一种难以跟踪的状态。

PCB在热管理中发挥着重要作用，因此需要热量设计版图。设计工程师应该尽可能使大功率元件相互间隔得越远越好。另外，这些大功率元件应尽可能远离PCB的角落，这将有助于最大化功率元件周围的PCB面积，加快热量散发。

将裸露的电源焊盘焊接到PCB上是常见的做法。一般来说，裸露焊盘类型的电源焊盘可以传导约80的通过IC封装底部产生并进入PCB的热量。剩下的热量将从封装侧面和引线散发掉。

散热帮手设计工程师现在可以向许多改良的热管理产品寻求帮助。这些产品包括散热器、热导管和风扇，可以用来实现主动和被动的对流、辐射和传导冷却。即使是PCB上安装芯片的互连方式也有助于减轻散热问题。

例如，用于将IC芯片互连到PCB的普通裸露焊盘方法可能会增加散热问题。当把裸露的路径焊接到PCB上时，热量会很快逸出封装并进入电路板，然后通过电路板的各个层散发进周围的空气。

德州仪器TI发明了一种PowerPAD方法，能把IC裸片安装到金属盘上。这个裸片焊盘将在制造过程中支撑裸片，并作为良好的散热路径将热量从芯片中散发出去。

TI公司的模拟封装产品经理MattRomig指出，TI的PowerStack方法是第一种可以堆叠高侧垂直MOSFET的3D封装技术。这种技术将由铜夹固定位置的高侧和低侧MOSFET整合在一起，并使用地电位的裸露焊盘提供热优化设计。采用两个铜夹连接输入和输出电压引脚可以形成更高集成度的扁平方形无引线QFN封装功率器件的热量管理具有更大的挑战性。更高频率的信号处理和缩小封装尺寸的需求使传统冷却技术逐渐边缘化。AdvancedThermalSolutions公司总裁兼首席执行官KaverAzar建议使用带水冷式微通道的嵌入式薄膜热电器件。

Azar构想了这样一个解决方案：最大限度地减小散热路径中的最大热阻扩散热阻，方法是将一个散热装置直接绑定到微处理器裸片。

这种方法可以将小型微处理器裸片上聚集的热量发散到更大的散热器基座上，然后再将热量散发到周围环境中。这种内置强制热扩散器在硅封装中整合了微通道和迷你通道。通道内的水流速度大约为05至1升分钟。

仿真结果表明，在球栅阵列BGA封装中的1010mm裸片上，一个120120mm的散热器底盘面积可以产生0055KW的热阻。使用热导率等于或大于钻石的散热材料可以产生0030KW的热阻。

NextremeThermalSolutions公司营销与业务发展副总裁PaulMagill也推荐热电冷却技术，并宣称应从芯片级开始冷却。该公司提供电子元件内部深度的局部热管理技术。该技术使用了名为热泵的微型薄膜热电eTEC结构。这种主动散热材料被嵌入倒装芯片互连如铜柱焊锡凸块供在电子封装中使用。

在芯片晶圆、裸片和封装级实现局部冷却可以产生重要的经济效益。例如，在拥有成千上百个先进微处理器的数据中心，这种方法的效率要比使用价格更高、体积更大的空调系统散热高得多。

在像LED等一些器件中，组合使用被动和主动冷却技术可以提高器件性能和寿命。例如，在散热器中使用风扇通常可以将热阻减小到05W这与单独使用被动冷却散热器达到的典型10W相比有显着的改善。

重复仿真热量控制一直是而且还将继续是实现更高IC性能的限制因素之一。在这些越来越小的IC及它们的封装中，空间越来越宝贵，几乎没有空间留出来帮助冷却。这迫使设计工程师考虑使用外部冷却技术以及不断改进的新型冷却材料。

不管怎样，基本的前提仍然成立：设计工程师必须更多地关注热力科学才能实现最优的冷却解决方案。整个过程应从热分析软件开始，这远早于设计投入生产之时。