Toplotno upravljanje visokozmogljivih PCB-jev

Oblikovalci se soočajo s kompleksnimi težavami pri izpolnjevanju zahtev glede napajanja, ki vključujejo učinkovito upravljanje toplote, začenši z zasnovo tiskanega vezja. Celoten sektor napajalne elektronike, vključno z RF aplikacijami in sistemi, ki vključujejo signale visoke hitrosti, se razvija proti rešitvam, ki ponujajo vedno bolj zapletene funkcije - manjši prostori. Načrtovalci se soočajo z vse zahtevnejšimi izzivi pri izpolnjevanju zahtev glede velikosti, teže in moči sistema, ki vključujejo učinkovito toplotno upravljanje, začenši z zasnovo plošče tiskanega vezja.

Naprave z aktivno močjo z visoko integracijsko gostoto, kot so tranzistorji MOSFET, lahko odvajajo znatno količino toplote in zato zahtevajo PCB-je, ki lahko prenašajo toploto od najbolj vročih komponent do ozemljitvenih ravnin ali površin, ki odvajajo toploto, pri čemer delujejo čim bolj učinkovito in uspešno. Toplotne obremenitve so eden glavnih vzrokov za nedelovanje napajalnih naprav, saj vodijo do poslabšanja delovanja ali celo morebitne okvare ali odpovedi sistema. Hitra rast gostote moči naprav in stalno povečevanje frekvenc sta glavna razloga, ki povzročata prekomerno segrevanje elektronskih komponent. Vedno bolj razširjena uporaba polprevodnikov z zmanjšanimi izgubami moči in boljšo toplotno prevodnostjo, kot so materiali s širokopasovno vrzeljo, sama po sebi ne zadostuje za odpravo potrebe po učinkovitem upravljanju toplote.

Trenutne napajalne naprave na osnovi silicija dosežejo temperaturo spoja med približno 125˚C in 200˚C. Vendar je vedno bolje, da naprava deluje pod to mejo, saj bi to povzročilo njeno hitro degradacijo in zmanjšanje njene preostale življenjske dobe. Pravzaprav je bilo ocenjeno, da lahko zvišanje delovne temperature za 20˚C, ki ga povzroči nepravilno toplotno upravljanje, zmanjša preostalo življenjsko dobo komponent za do 50 odstotkov.

Pristop postavitve:

Pristop k toplotnemu upravljanju, ki se običajno uporablja pri številnih projektih, je uporaba substratov s standardno stopnjo zaviranja gorenja 4 (FR-4), poceni materiala, ki ga je enostavno uporabiti, s poudarkom na toplotni optimizaciji postavitve tokokroga.

Glavni sprejeti ukrepi se nanašajo na zagotovitev dodatnih bakrenih površin, uporabo trakov večje debeline in vstavitev toplotnih prehodov pod komponente, ki proizvajajo največ toplote. Bolj agresivna tehnika, ki lahko odvaja večjo količino toplote, vključuje vstavljanje v tiskano vezje ali nanos na najbolj oddaljene plasti pravih bakrenih blokov, običajno v obliki kovanca (od tod tudi ime "bakreni kovanci"). Bakreni kovanci so obdelani ločeno in nato spajkani ali pritrjeni neposredno na tiskano vezje ali pa jih je mogoče vstaviti v notranje plasti in povezati z zunanjimi plastmi prek toplotnih prehodov. Slika 1 prikazuje tiskano vezje, v katerem je narejena posebna votlina za namestitev bakrenega kovanca.

Koeficient toplotne prevodnosti bakra je 380 W/mK v primerjavi z 225 W/mK za aluminij in 0,3 W/mK za FR-4. Baker je razmeroma poceni kovina in se že pogosto uporablja v proizvodnji PCB; zato je idealna izbira za izdelavo bakrenih kovancev, toplotnih odprtin in ozemljitvenih ravnin, vse rešitve, ki lahko izboljšajo odvajanje toplote.

Pravilno pozicioniranje aktivnih komponent na plošči je ključnega pomena pri preprečevanju nastanka vročih točk in s tem zagotavljanju čim bolj enakomerne porazdelitve toplote po celotni plošči. V zvezi s tem je treba aktivne komponente porazdeliti brez posebnega vrstnega reda okoli PCB, da se prepreči nastanek vročih točk na določenem območju. Vendar se je bolje izogibati postavljanju aktivnih komponent, ki ustvarjajo znatno količino toplote, blizu robov plošče. Nasprotno pa morajo biti nameščeni čim bližje sredini plošče, da se zagotovi enakomerna porazdelitev toplote. Če je visokozmogljiva naprava nameščena blizu roba plošče, se bo segrela na robu in povečala lokalno temperaturo. Če pa jo postavite blizu središča deske, se bo toplota razpršila po površini v vse smeri, s čimer se bo temperatura znižala in toplota se bo lažje odvajala. Napajalne naprave ne smejo biti nameščene v bližini občutljivih komponent in morajo biti med seboj primerno razmaknjene.

Izbira substrata PCB:

Zaradi nizke toplotne prevodnosti — med {{0}},2 in 0,5 W/mK — FR-4 na splošno ni primeren za aplikacije, pri katerih je treba odvesti veliko količino toplote. Toplota, ki se lahko kopiči v visokozmogljivih tokokrogih, je precejšnja, k čemur prispeva dejstvo, da ti sistemi pogosto delujejo v težkih okoljih in ekstremnih temperaturah. Uporaba alternativnega substratnega materiala z večjo toplotno prevodnostjo je morda boljša izbira kot uporaba tradicionalnega FR-4.

Keramični materiali, na primer, ponujajo pomembne prednosti pri toplotnem upravljanju PCB-jev visoke moči. Poleg izboljšane toplotne prevodnosti ti materiali ponujajo odlične mehanske lastnosti, ki pomagajo kompenzirati napetost, nakopičeno med ponavljajočimi se toplotnimi cikli. Poleg tega imajo keramični materiali manjše dielektrične izgube pri frekvencah do 10 GHz. Za višje frekvence se je vedno mogoče odločiti za hibridne materiale (kot je PTFE), ki ponujajo enako nizke izgube ob skromnem zmanjšanju toplotne prevodnosti.

Večja ko je toplotna prevodnost materiala, hitrejši je prenos toplote. Iz tega sledi, da kovine, kot je aluminij, poleg tega, da so lažje od keramike, ponujajo odlično rešitev za prenos toplote stran od komponent. Aluminij je še posebej odličen prevodnik, ima odlično vzdržljivost, ga je mogoče reciklirati in ni strupen. Zahvaljujoč visoki toplotni prevodnosti kovinske plasti pomagajo pri hitrem prenosu toplote po celotni plošči. Nekateri proizvajalci ponujajo tudi PCB-je, prevlečene s kovino, pri čemer sta obe zunanji plasti prevlečeni s kovino, običajno iz aluminija ali pocinkanega bakra. Z vidika cene na enoto teže je aluminij najboljša izbira, baker pa nudi višjo toplotno prevodnost. Aluminij se pogosto uporablja za konstrukcijo tiskanih vezij, ki podpirajo visoko zmogljive LED (primer je prikazan na sliki 2), pri čemer je še posebej uporaben zaradi svoje sposobnosti odbijanja svetlobe stran od podlage.

Kovinske PCB-je, znane tudi kot izolacijske kovinske podlage (IMS), je mogoče laminirati neposredno v PCB, kar povzroči ploščo s substrati FR-4 in kovinskim jedrom z enoslojno in dvoslojno tehnologijo z usmerjanjem za nadzor globine, ki služi za prenos toplote stran od vgrajenih komponent na manj kritična področja. V IMS PCB je tanka plast toplotno prevodnega, vendar električno izolacijskega dielektrika laminirana med kovinsko osnovo in bakreno folijo. Bakrena folija je vgravirana v želeni vzorec vezja in kovinska osnova absorbira toploto iz tega vezja skozi tanek dielektrik.

Glavne prednosti tiskanih vezij IMS so naslednje:

1. Odvajanje toplote je znatno večje od standardnih FR{1}} konstrukcij.

2. Dielektriki so običajno 5× do 10× bolj toplotno prevodni kot običajno epoksi steklo.

3. Toplotni prenos je eksponentno učinkovitejši kot pri običajnem tiskanem vezju.

4. Poleg LED tehnologije (osvetljeni znaki, zasloni in osvetlitev) se vezja IMS široko uporabljajo v avtomobilski industriji (žarometi, krmiljenje motorja in servo krmiljenje), v močnostni elektroniki (napajanje z enosmernim tokom, inverterji in krmiljenje motorja) , v stikalih in v polprevodniških relejih.