Pieeja lieljaudas PCB siltuma pārvaldībai

   Projektētāji saskaras ar sarežģītām problēmām saistībā ar jaudas prasību izpildi, kas ietver efektīvu siltuma pārvaldību, sākot ar PCB dizainu.

     Viss energoelektronikas sektors, tostarp RF lietojumprogrammas un sistēmas, kas ietver ātrgaitas signālus, attīstās uz risinājumiem, kas piedāvā arvien sarežģītākas funkcijas arvien mazākās telpās. Dizaineri saskaras ar arvien sarežģītākiem izaicinājumiem, lai izpildītu sistēmas lieluma, svara un jaudas prasības, kas ietver efektīvu siltuma pārvaldību, sākot ar iespiedshēmas plates dizainu.

  Augsta integrācijas blīvuma aktīvās jaudas ierīces, piemēram, MOSFET tranzistori, var izkliedēt ievērojamu daudzumu siltuma, un tāpēc ir nepieciešami PCB, kas var pārnest siltumu no karstākajiem komponentiem uz zemes plaknēm vai siltumu izkliedējošām virsmām, darbojoties pēc iespējas efektīvāk. Termiskais spriegums ir viens no galvenajiem barošanas ierīču darbības traucējumu cēloņiem, jo ​​tas izraisa veiktspējas pasliktināšanos vai pat iespējamu sistēmas darbības traucējumu vai atteici. Ierīču jaudas blīvuma straujais pieaugums un pastāvīgs frekvenču pieaugums ir galvenie iemesli, kas izraisa elektronisko komponentu pārmērīgu uzkaršanu. Arvien plašāka pusvadītāju izmantošana ar samazinātiem jaudas zudumiem un labāku siltumvadītspēju, piemēram, materiāli ar plašu joslas atstarpi, pati par sevi nav pietiekama, lai novērstu vajadzību pēc efektīvas siltuma pārvaldības.

    Pašreizējās silīcija barošanas ierīces sasniedz savienojuma temperatūru no aptuveni 125 ˚C līdz 200 ˚C. Tomēr vienmēr ir vēlams likt ierīcei darboties zem šīs robežas, jo tas izraisītu tās strauju degradāciju un tās atlikušā mūža samazināšanos. Faktiski tiek lēsts, ka nepareizas siltuma pārvaldības izraisīta darba temperatūras paaugstināšanās par 20˚C var samazināt komponentu atlikušo kalpošanas laiku līdz pat 50 procentiem.

Izkārtojuma pieeja:

  Termiskās pārvaldības pieeja, ko parasti izmanto daudzos projektos, ir izmantot substrātus ar standarta liesmas slāpētāja līmeni 4 (FR-4), kas ir lēts un viegli apstrādājams materiāls, koncentrējoties uz ķēdes izkārtojuma termisko optimizāciju.

Galvenie pieņemtie pasākumi attiecas uz papildu vara virsmu nodrošināšanu, lielāka biezuma pēdu izmantošanu un termisko caurumu ievietošanu zem komponentiem, kas rada vislielāko siltuma daudzumu. Agresīvāka tehnika, kas spēj izkliedēt lielāku siltuma daudzumu, ietver īstu vara bloku ievietošanu PCB vai uzklāšanu uz visattālākajiem slāņiem, parasti monētas formā (tātad nosaukums "vara monētas"). Vara monētas tiek apstrādātas atsevišķi un pēc tam pielodētas vai piestiprinātas tieši pie PCB, vai arī tās var ievietot iekšējos slāņos un savienot ar ārējiem slāņiem caur termiskiem caurumiem. 1. attēlā parādīta PCB, kurā ir izveidots īpašs dobums, kurā ievietota vara monēta.

  Vara siltumvadītspējas koeficients ir 380 W/mK, salīdzinot ar 225 W/mK alumīnijam un 0,3 W/mK FR-4. Varš ir salīdzinoši lēts metāls un jau plaši izmantots PCB ražošanā; tāpēc tā ir ideāla izvēle vara monētu, termisko cauruļu un iezemēto plakņu izgatavošanai — visi risinājumi, kas spēj uzlabot siltuma izkliedi.

   Pareiza aktīvo komponentu novietošana uz dēļa ir izšķirošs faktors, lai novērstu karsto punktu veidošanos, tādējādi nodrošinot, ka siltums tiek sadalīts pēc iespējas vienmērīgāk pa visu plati. Šajā sakarā aktīvās sastāvdaļas nedrīkst izvietot ap PCB noteiktā secībā, lai izvairītos no karsto punktu veidošanās noteiktā apgabalā. Tomēr labāk ir izvairīties no aktīvo komponentu izvietošanas, kas rada ievērojamu siltuma daudzumu pie dēļa malām. Un otrādi, tiem jābūt novietotiem pēc iespējas tuvāk dēļa centram, lai nodrošinātu vienmērīgu siltuma sadali. Ja lielas jaudas ierīce ir uzstādīta netālu no dēļa malas, tā uzliks siltumu uz malas, paaugstinot vietējo temperatūru. No otras puses, ja tas ir novietots netālu no dēļa centra, siltums izkliedēsies uz virsmas visos virzienos, samazinot temperatūru un vieglāk izkliedējot siltumu. Strāvas ierīces nedrīkst novietot tuvu jutīgām sastāvdaļām, un tām jābūt pareizi izvietotām vienai no otras.

PCB substrāta izvēle:

Zemās siltumvadītspējas dēļ — no {{0}},2 līdz 0,5 W/mK — FR-4 parasti nav piemērots lietojumiem, kuros ir jāizkliedē liels siltuma daudzums. Siltums, kas var uzkrāties lieljaudas ķēdēs, ir ievērojams, un to pastiprina fakts, ka šīs sistēmas bieži darbojas skarbos apstākļos un ekstremālās temperatūrās. Alternatīva substrāta materiāla izmantošana ar augstāku siltumvadītspēju var būt labāka izvēle nekā tradicionālā FR-4.

    Piemēram, keramikas materiāli sniedz ievērojamas priekšrocības lieljaudas PCB siltuma pārvaldībā. Papildus uzlabotajai siltumvadītspējai šie materiāli piedāvā lieliskas mehāniskās īpašības, kas palīdz kompensēt atkārtotas siltuma cikla laikā uzkrāto stresu. Turklāt keramikas materiāliem ir mazāki dielektriskie zudumi, kas darbojas frekvencēs līdz 10 GHz. Augstākām frekvencēm vienmēr ir iespējams izvēlēties hibrīdus materiālus (piemēram, PTFE), kas piedāvā vienlīdz zemus zudumus ar nelielu siltumvadītspējas samazināšanos.

Jo augstāka ir materiāla siltumvadītspēja, jo ātrāka ir siltuma pārnese. No tā izriet, ka metāli, piemēram, alumīnijs, papildus tam, ka ir vieglāki par keramiku, piedāvā lielisku risinājumu siltuma novadīšanai prom no sastāvdaļām. Alumīnijs jo īpaši ir lielisks vadītājs, tam ir lieliska izturība, tas ir pārstrādājams un nav toksisks. Pateicoties augstajai siltumvadītspējai, metāla slāņi palīdz ātri pārnest siltumu visā plātnē. Daži ražotāji piedāvā arī ar metālu pārklātas PCB, kur abi ārējie slāņi ir pārklāti ar metālu, parasti alumīniju vai cinkotu varu. No izmaksu par svara vienību viedokļa alumīnijs ir labākā izvēle, savukārt varš nodrošina augstāku siltumvadītspēju. Alumīniju plaši izmanto PCB, kas atbalsta lieljaudas gaismas diodes (piemērs ir parādīts 2. attēlā), konstrukcijā, kurā tas ir arī īpaši noderīgs, jo tas spēj atstarot gaismu prom no pamatnes.

   Metāla PCB, kas pazīstami arī kā izolācijas metāla substrāti (IMS), var laminēt tieši PCB, kā rezultātā tiek iegūta plāksne ar FR-4 substrātiem un metāla serdi ar viena slāņa un divslāņu tehnoloģiju ar dziļuma kontroles maršrutēšanu, kas kalpo siltuma novadīšanai prom no borta komponentiem un mazāk kritiskām zonām. IMS PCB starp metāla pamatni un vara foliju ir laminēts plāns siltumvadoša, bet elektriski izolējoša dielektriķa slānis. Vara folija ir iegravēta vēlamajā ķēdes modelī, un metāla pamatne absorbē siltumu no šīs ķēdes caur plāno dielektriķi.

Galvenās priekšrocības, ko piedāvā IMS PCB, ir šādas:

1. Siltuma izkliede ir ievērojami augstāka nekā standarta FR-4 coinstrukcijas.

2. Dielektriķi parasti ir 5x līdz 10x vairāk siltumvadītspējīgi nekā parastais epoksīda stikls.

3. Termiskā pārnese ir eksponenciāli efektīvāka nekā parastajā PCB.

4. Papildus LED tehnoloģijai (izgaismotas zīmes, displeji un apgaismojums), IMS shēmas plates tiek plaši izmantotas automobiļu rūpniecībā (lukturi, dzinēja vadība un stūres pastiprinātājs), spēka elektronikā (līdzstrāvas padeve, invertori un dzinēja vadība). , slēdžos un pusvadītāju relejos.