Podejście do zarządzania termicznego PCB dużej mocy

   Projektanci napotykają złożone problemy związane ze spełnieniem wymagań dotyczących zasilania, które obejmują efektywne zarządzanie temperaturą, począwszy od projektu płytki drukowanej.

     Cały sektor energoelektroniki, w tym aplikacje RF i systemy wykorzystujące sygnały o dużej szybkości, ewoluuje w kierunku rozwiązań oferujących coraz bardziej złożone funkcjonalności w coraz mniejszych przestrzeniach. Projektanci stają przed coraz bardziej wymagającymi wyzwaniami, aby spełnić wymagania dotyczące wielkości, wagi i mocy systemu, które obejmują efektywne zarządzanie temperaturą, począwszy od projektu płytki drukowanej.

  Urządzenia mocy czynnej o wysokiej gęstości integracji, takie jak tranzystory MOSFET, mogą rozpraszać znaczną ilość ciepła i dlatego wymagają płytek drukowanych, które mogą przenosić ciepło z najgorętszych komponentów do płaszczyzn uziemienia lub powierzchni rozpraszających ciepło, działając tak wydajnie i efektywnie, jak to tylko możliwe. Stres termiczny jest jedną z głównych przyczyn nieprawidłowego działania urządzeń zasilających, ponieważ prowadzi do pogorszenia wydajności lub nawet ewentualnej awarii lub awarii systemu. Gwałtowny wzrost gęstości mocy urządzeń oraz stały wzrost częstotliwości to główne przyczyny nadmiernego nagrzewania się elementów elektronicznych. Coraz powszechniejsze stosowanie półprzewodników o zmniejszonych stratach mocy i lepszej przewodności cieplnej, takich jak materiały o szerokim paśmie wzbronionym, samo w sobie nie wystarcza do wyeliminowania potrzeby efektywnego zarządzania ciepłem.

    Obecne krzemowe urządzenia zasilające osiągają temperaturę złącza między około 125˚C a 200˚C. Jednak zawsze lepiej jest, aby urządzenie działało poniżej tego limitu, ponieważ doprowadziłoby to do jego szybkiej degradacji i skrócenia pozostałej żywotności. W rzeczywistości oszacowano, że wzrost temperatury roboczej o 20˚C, spowodowany niewłaściwym zarządzaniem temperaturą, może skrócić żywotność komponentów nawet o 50 procent.

Podejście do układu:

  Podejściem do zarządzania ciepłem powszechnie stosowanym w wielu projektach jest stosowanie podłoży ze standardowym ognioodpornością na poziomie 4 (FR-4), niedrogim i łatwym w obróbce materiałem, koncentrując się na optymalizacji termicznej układu obwodów.

Główne podjęte działania dotyczą zapewnienia dodatkowych powierzchni miedzianych, zastosowania ścieżek o większej grubości oraz wprowadzenia przelotek termicznych pod elementy generujące największą ilość ciepła. Bardziej agresywna technika, zdolna do odprowadzenia większej ilości ciepła, polega na włożeniu do PCB lub nałożeniu na najbardziej zewnętrzne warstwy prawdziwych miedzianych bloków, zwykle w kształcie monety (stąd nazwa „miedziane monety”). Miedziane monety są przetwarzane oddzielnie, a następnie lutowane lub mocowane bezpośrednio do płytki drukowanej, lub można je włożyć do warstw wewnętrznych i połączyć z warstwami zewnętrznymi za pomocą przelotek termicznych. Rysunek 1 przedstawia płytkę PCB, w której wykonano specjalne wgłębienie na miedzianą monetę.

  Miedź ma współczynnik przewodności cieplnej 380 W/mK, w porównaniu z 225 W/mK dla aluminium i 0,3 W/mK dla FR-4. Miedź jest stosunkowo tanim metalem i już jest szeroko stosowana w produkcji płytek drukowanych; dlatego jest idealnym wyborem do produkcji monet miedzianych, przelotek termicznych i płaszczyzn uziemienia, wszystkich rozwiązań zdolnych do poprawy rozpraszania ciepła.

   Właściwe rozmieszczenie elementów aktywnych na płycie jest kluczowym czynnikiem zapobiegającym powstawaniu gorących punktów, a tym samym zapewniającym jak najbardziej równomierne rozprowadzanie ciepła po całej płycie. W związku z tym aktywne składniki powinny być rozmieszczone w dowolnej kolejności wokół płytki drukowanej, aby uniknąć tworzenia się gorących punktów w określonym obszarze. Jednak lepiej unikać umieszczania aktywnych komponentów, które generują znaczną ilość ciepła w pobliżu krawędzi płyty. I odwrotnie, powinny być umieszczone jak najbliżej środka płyty, co sprzyja równomiernemu rozprowadzaniu ciepła. Jeśli urządzenie o dużej mocy zostanie zamontowane w pobliżu krawędzi płytki, będzie gromadzić ciepło na krawędzi, zwiększając lokalną temperaturę. Z drugiej strony, jeśli zostanie umieszczony blisko środka płytki, ciepło będzie rozpraszać się na powierzchni we wszystkich kierunkach, zmniejszając temperaturę i łatwiej rozpraszając ciepło. Urządzenia zasilające nie powinny być umieszczane w pobliżu wrażliwych elementów i powinny być odpowiednio oddalone od siebie.

Wybór podłoża PCB:

Ze względu na niską przewodność cieplną — od {{0}},2 do 0,5 W/mK — FR-4 generalnie nie nadaje się do zastosowań, w których trzeba rozproszyć dużą ilość ciepła. Ciepło, które może gromadzić się w obwodach dużej mocy, jest znaczne, co potęguje fakt, że systemy te często działają w trudnych warunkach i ekstremalnych temperaturach. Użycie alternatywnego materiału podłoża o wyższej przewodności cieplnej może być lepszym wyborem niż użycie tradycyjnego materiału FR-4.

    Na przykład materiały ceramiczne oferują znaczne korzyści w zarządzaniu termicznym PCB dużej mocy. Oprócz ulepszonej przewodności cieplnej, materiały te oferują doskonałe właściwości mechaniczne, które pomagają zrekompensować naprężenia nagromadzone podczas powtarzających się cykli termicznych. Dodatkowo materiały ceramiczne charakteryzują się niższymi stratami dielektrycznymi pracując przy częstotliwościach do 10 GHz. W przypadku wyższych częstotliwości zawsze można wybrać materiały hybrydowe (takie jak PTFE), które oferują równie niskie straty przy niewielkim zmniejszeniu przewodności cieplnej.

Im wyższa przewodność cieplna materiału, tym szybszy transfer ciepła. Wynika z tego, że metale takie jak aluminium, oprócz tego, że są lżejsze od ceramiki, oferują doskonałe rozwiązanie do odprowadzania ciepła z komponentów. Szczególnie aluminium jest doskonałym przewodnikiem, ma doskonałą trwałość, nadaje się do recyklingu i jest nietoksyczne. Dzięki wysokiej przewodności cieplnej warstwy metalu pomagają szybko przenosić ciepło w całej płycie. Niektórzy producenci oferują również płytki PCB pokryte metalem, w których obie warstwy zewnętrzne są pokryte metalem, zazwyczaj aluminium lub galwanizowaną miedzią. Z punktu widzenia kosztu jednostkowego aluminium jest najlepszym wyborem, podczas gdy miedź zapewnia wyższą przewodność cieplną. Aluminium jest szeroko stosowane do budowy płytek drukowanych obsługujących diody LED dużej mocy (przykład pokazano na rysunku 2), w których jest również szczególnie przydatne ze względu na zdolność odbijania światła od podłoża.

   Metalowe płytki PCB, znane również jako izolacyjne metalowe podłoża (IMS), można laminować bezpośrednio na płytce drukowanej, w wyniku czego powstaje płytka z podłożami FR-4 i metalowym rdzeniem w technologii jednowarstwowej i dwuwarstwowej z prowadzeniem kontroli głębokości, który służy do odprowadzania ciepła z komponentów pokładowych do mniej krytycznych obszarów. W płytkach PCB IMS cienka warstwa przewodzącego ciepło, ale izolującego elektrycznie dielektryka jest laminowana pomiędzy metalową podstawą a folią miedzianą. Folia miedziana jest wytrawiona w pożądany wzór obwodu, a metalowa podstawa pochłania ciepło z tego obwodu przez cienki dielektryk.

Główne zalety oferowane przez IMS PCB są następujące:

1. Odprowadzanie ciepła jest znacznie wyższe niż w przypadku standardowego FR-4 coinstrukcje.

2. Dielektryki są zwykle od 5 do 10 razy bardziej przewodzące ciepło niż zwykłe szkło epoksydowe.

3. Transfer termiczny jest wykładniczo bardziej wydajny niż w konwencjonalnej płytce drukowanej.

4. Oprócz technologii LED (znaki świetlne, wyświetlacze i oświetlenie), płytki drukowane IMS są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym (reflektory, sterowanie silnikiem i wspomaganie kierownicy), w energoelektronice (zasilanie DC, falowniki i sterowanie silnikiem) , w przełącznikach i przekaźnikach półprzewodnikowych.