Θερμική διαχείριση PCB υψηλής ισχύος
Οι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν πολύπλοκα ζητήματα ΚΑΤΑ την ικανοποίηση των απαιτήσεων ισχύος, τα οποία περιλαμβάνουν αποτελεσματική διαχείριση θερμότητας, ξεκινώντας από τον σχεδιασμό των PCB. Ολόκληρος ο ηλεκτρονικός τομέας ισχύος, συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών ραδιοσυχνοτήτων και των συστημάτων που περιλαμβάνουν σήματα υψηλής ταχύτητας, εξελίσσεται προς λύσεις που προσφέρουν όλο και πιο περίπλοκες λειτουργίες -μικρότερους χώρους. Οι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν όλο και πιο απαιτητικές προκλήσεις για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις μεγέθους, βάρους και ισχύος του συστήματος, οι οποίες περιλαμβάνουν αποτελεσματική διαχείριση θερμότητας, ξεκινώντας από το σχεδιασμό της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος.
Οι συσκευές ενεργού ισχύος υψηλής πυκνότητας, όπως τα τρανζίστορ MOSFET, μπορούν να διαχέουν σημαντική ποσότητα θερμότητας και επομένως απαιτούν PCB που μπορούν να μεταφέρουν θερμότητα από τα πιο καυτά εξαρτήματα στα επίπεδα γείωσης ή στις επιφάνειες που διαχέουν τη θερμότητα, λειτουργώντας όσο το δυνατόν πιο αποδοτικά και αποτελεσματικά. Η θερμική καταπόνηση είναι μια από τις κύριες αιτίες δυσλειτουργίας των ηλεκτρικών συσκευών, καθώς οδηγεί σε υποβάθμιση της απόδοσης ή ακόμη και σε πιθανή δυσλειτουργία ή αστοχία του συστήματος. Η ταχεία αύξηση της πυκνότητας ισχύος των συσκευών και η συνεχής αύξηση των συχνοτήτων είναι οι κύριοι λόγοι που προκαλούν υπερβολική θέρμανση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Η ολοένα και πιο διαδεδομένη χρήση ημιαγωγών με μειωμένες απώλειες ισχύος και καλύτερη θερμική αγωγιμότητα, όπως υλικά με μεγάλο διάκενο, δεν αρκεί από μόνη της για να εξαλείψει την ανάγκη για αποτελεσματική θερμική διαχείριση.
Οι τρέχουσες συσκευές ισχύος με βάση το πυρίτιο επιτυγχάνουν μια θερμοκρασία σύνδεσης μεταξύ περίπου 125˚C και 200˚C. Ωστόσο, είναι πάντα προτιμότερο η συσκευή να λειτουργεί κάτω από αυτό το όριο, καθώς αυτό θα οδηγούσε σε ταχεία υποβάθμιση της ίδιας και μείωση της υπολειπόμενης ζωής της. Στην πραγματικότητα, έχει υπολογιστεί ότι μια αύξηση κατά 20°C στη θερμοκρασία λειτουργίας, που προκαλείται από ακατάλληλη θερμική διαχείριση, μπορεί να μειώσει την υπολειπόμενη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων έως και 50 τοις εκατό.
Προσέγγιση διάταξης:
Μια προσέγγιση στη θερμική διαχείριση που ακολουθείται συνήθως σε πολλά έργα είναι η χρήση υποστρωμάτων με τυπικό επιβραδυντικό φλόγας Επίπεδο 4 (FR{1}}), ένα φθηνό και εύκολα εφαρμόσιμο υλικό, που εστιάζει στη θερμική βελτιστοποίηση της διάταξης του κυκλώματος.
Τα κύρια μέτρα που υιοθετήθηκαν αφορούν την παροχή πρόσθετων χάλκινων επιφανειών, τη χρήση ιχνών με μεγαλύτερο πάχος και την εισαγωγή θερμικού μέσω κάτω από τα εξαρτήματα που παράγουν τη μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας. Μια πιο επιθετική τεχνική, ικανή να διαχέει μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας, περιλαμβάνει την εισαγωγή στο PCB ή την εφαρμογή στα εξωτερικά στρώματα πραγματικών χάλκινων μπλοκ, συνήθως σε σχήμα νομίσματος (εξ ου και η ονομασία "χάλκινα νομίσματα"). Τα χάλκινα νομίσματα επεξεργάζονται χωριστά και στη συνέχεια συγκολλούνται ή συνδέονται απευθείας στο PCB ή μπορούν να εισαχθούν στα εσωτερικά στρώματα και να συνδεθούν με τα εξωτερικά στρώματα μέσω θερμικών αγωγών. Το σχήμα 1 δείχνει ένα PCB στο οποίο έχει κατασκευαστεί μια ειδική κοιλότητα για να φιλοξενήσει ένα χάλκινο νόμισμα.
Ο χαλκός έχει συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας 380 W/mK, σε σύγκριση με 225 W/mK για το αλουμίνιο και με 0,3 W/mK για το FR-4. Ο χαλκός είναι ένα σχετικά φθηνό μέταλλο και χρησιμοποιείται ήδη ευρέως στην κατασκευή PCB. Ως εκ τούτου, είναι η ιδανική επιλογή για την κατασκευή χάλκινων νομισμάτων, θερμικών αγωγών και επιπέδων γείωσης, όλες οι λύσεις ικανές να βελτιώσουν την απαγωγή θερμότητας.
Η σωστή τοποθέτηση των ενεργών εξαρτημάτων στην πλακέτα είναι ένας κρίσιμος παράγοντας για την αποφυγή του σχηματισμού καυτών σημείων, διασφαλίζοντας έτσι ότι η θερμότητα κατανέμεται όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα σε ολόκληρη την πλακέτα. Από αυτή την άποψη, τα ενεργά συστατικά δεν πρέπει να κατανέμονται με καμία ιδιαίτερη σειρά γύρω από το PCB για να αποφευχθεί ο σχηματισμός καυτών σημείων σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Ωστόσο, είναι καλύτερα να αποφύγετε την τοποθέτηση ενεργών εξαρτημάτων που παράγουν σημαντική ποσότητα θερμότητας κοντά στις άκρες της πλακέτας. Αντίθετα, θα πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στο κέντρο της σανίδας, ευνοώντας την ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας. Εάν μια συσκευή υψηλής ισχύος τοποθετηθεί κοντά στην άκρη της πλακέτας, θα συσσωρεύσει θερμότητα στην άκρη, αυξάνοντας την τοπική θερμοκρασία. Αν, από την άλλη, τοποθετηθεί κοντά στο κέντρο της σανίδας, η θερμότητα θα διαχέεται στην επιφάνεια προς όλες τις κατευθύνσεις, μειώνοντας τη θερμοκρασία και διαχέοντας τη θερμότητα πιο εύκολα. Οι συσκευές τροφοδοσίας δεν πρέπει να τοποθετούνται κοντά σε ευαίσθητα εξαρτήματα και πρέπει να βρίσκονται σε σωστή απόσταση μεταξύ τους.
Επιλογή υποστρώματος PCB:
Λόγω της χαμηλής θερμικής του αγωγιμότητας — μεταξύ {{0}}.2 και 0,5 W/mK — FR-4 γενικά δεν είναι κατάλληλο για εφαρμογές στις οποίες χρειάζεται να διαλυθεί μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Η θερμότητα που μπορεί να συσσωρευτεί σε κυκλώματα υψηλής ισχύος είναι σημαντική, επιδεινούμενη από το γεγονός ότι αυτά τα συστήματα λειτουργούν συχνά σε σκληρά περιβάλλοντα και ακραίες θερμοκρασίες. Η χρήση εναλλακτικού υλικού υποστρώματος με υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα μπορεί να είναι καλύτερη επιλογή από τη χρήση του παραδοσιακού FR-4.
Τα κεραμικά υλικά, για παράδειγμα, προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα για τη θερμική διαχείριση των PCB υψηλής ισχύος. Εκτός από τη βελτιωμένη θερμική αγωγιμότητα, αυτά τα υλικά προσφέρουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες που συμβάλλουν στην αντιστάθμιση της καταπόνησης που συσσωρεύεται κατά την επαναλαμβανόμενη θερμική κυκλοποίηση. Επιπλέον, τα κεραμικά υλικά έχουν χαμηλότερες διηλεκτρικές απώλειες που λειτουργούν σε συχνότητες έως και 10 GHz. Για υψηλότερες συχνότητες, είναι πάντα δυνατή η επιλογή υβριδικών υλικών (όπως PTFE), τα οποία προσφέρουν εξίσου χαμηλές απώλειες με μέτρια μείωση της θερμικής αγωγιμότητας.
Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού, τόσο πιο γρήγορη είναι η μεταφορά θερμότητας. Από αυτό προκύπτει ότι μέταλλα όπως το αλουμίνιο, εκτός του ότι είναι ελαφρύτερα από τα κεραμικά, προσφέρουν μια εξαιρετική λύση για τη μεταφορά θερμότητας μακριά από εξαρτήματα. Το αλουμίνιο ιδιαίτερα είναι εξαιρετικός αγωγός, έχει εξαιρετική αντοχή, είναι ανακυκλώσιμο και είναι μη τοξικό. Χάρη στην υψηλή θερμική τους αγωγιμότητα, τα μεταλλικά στρώματα βοηθούν στη γρήγορη μεταφορά θερμότητας σε όλη την πλακέτα. Ορισμένοι κατασκευαστές προσφέρουν επίσης PCB με επένδυση μετάλλου, όπου και τα δύο εξωτερικά στρώματα είναι επικαλυμμένα με μέταλλο, συνήθως από αλουμίνιο ή γαλβανισμένο χαλκό. Από την άποψη του κόστους ανά μονάδα βάρους, το αλουμίνιο είναι η καλύτερη επιλογή, ενώ ο χαλκός προσφέρει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται ευρέως για την κατασκευή PCB που υποστηρίζουν LED υψηλής ισχύος (ένα παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα 2), στα οποία είναι επίσης ιδιαίτερα χρήσιμο για την ικανότητά του να ανακλά το φως μακριά από το υπόστρωμα.
Τα μεταλλικά PCB, γνωστά και ως μονωτικά μεταλλικά υποστρώματα (IMS), μπορούν να πλαστικοποιηθούν απευθείας στο PCB, με αποτέλεσμα μια πλακέτα με υποστρώματα FR-4 και μεταλλικό πυρήνα με τεχνολογία μονής και διπλής στρώσης με δρομολόγηση ελέγχου βάθους, που χρησιμεύει για τη μεταφορά θερμότητας μακριά από τα ενσωματωμένα εξαρτήματα και σε λιγότερο κρίσιμες περιοχές. Στα PCB IMS, ένα λεπτό στρώμα θερμικά αγώγιμου αλλά ηλεκτρικά μονωτικού διηλεκτρικού είναι ελασματοποιημένο μεταξύ μιας μεταλλικής βάσης και ενός φύλλου χαλκού. Το φύλλο χαλκού είναι χαραγμένο στο επιθυμητό σχέδιο κυκλώματος και η μεταλλική βάση απορροφά θερμότητα από αυτό το κύκλωμα μέσω του λεπτού διηλεκτρικού.
Τα κύρια πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα PCB IMS είναι τα ακόλουθα:
1. Η απαγωγή θερμότητας είναι σημαντικά υψηλότερη από τις τυπικές κατασκευές FR-4.
2. Τα διηλεκτρικά είναι συνήθως 5× έως 10× πιο θερμικά αγώγιμα από το κανονικό εποξειδικό γυαλί.
3. Η θερμική μεταφορά είναι εκθετικά πιο αποτελεσματική από ότι σε ένα συμβατικό PCB.
4. Εκτός από την τεχνολογία LED (φωτιζόμενες πινακίδες, οθόνες και φωτισμός), οι πλακέτες κυκλωμάτων IMS χρησιμοποιούνται ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία (προβολείς, έλεγχος κινητήρα και υδραυλικό τιμόνι), σε ηλεκτρονικά ισχύος (τροφοδοτικό DC, μετατροπείς και έλεγχος κινητήρα) , σε διακόπτες και σε ρελέ ημιαγωγών.
