Zarządzanie ciepłem płytek drukowanych dużej mocy

Projektanci stają przed złożonymi problemami związanymi ze spełnieniem wymagań dotyczących zasilania, które obejmują efektywne zarządzanie ciepłem, począwszy od projektu PCB. Cały sektor energoelektroniczny, w tym aplikacje i systemy RF wykorzystujące szybkie sygnały, ewoluuje w kierunku rozwiązań oferujących coraz bardziej złożone funkcjonalności -mniejsze przestrzenie. Projektanci stają przed coraz większymi wyzwaniami, aby spełnić wymagania dotyczące rozmiaru, masy i mocy systemu, które obejmują efektywne zarządzanie temperaturą, począwszy od projektu płytki drukowanej.

Urządzenia mocy czynnej o dużej gęstości integracji, takie jak tranzystory MOSFET, mogą rozpraszać znaczną ilość ciepła i dlatego wymagają płytek PCB, które mogą przenosić ciepło z najgorętszych komponentów do płaszczyzn uziemienia lub powierzchni rozpraszających ciepło, działając tak efektywnie i efektywnie, jak to możliwe. Naprężenie termiczne jest jedną z głównych przyczyn nieprawidłowego działania urządzeń elektroenergetycznych, ponieważ prowadzi do pogorszenia wydajności, a nawet możliwej awarii lub awarii systemu. Szybki wzrost gęstości mocy urządzeń oraz stały wzrost częstotliwości to główne przyczyny powodujące nadmierne nagrzewanie się elementów elektronicznych. Coraz powszechniejsze stosowanie półprzewodników o zmniejszonych stratach mocy i lepszej przewodności cieplnej, takich jak materiały o szerokiej przerwie energetycznej, samo w sobie nie wystarczy, aby wyeliminować potrzebę skutecznego zarządzania ciepłem.

Obecne urządzenia zasilające oparte na krzemie osiągają temperaturę złącza od około 125˚C do 200˚C. Jednak zawsze lepiej jest, aby urządzenie działało poniżej tej granicy, ponieważ prowadziłoby to do jego szybkiej degradacji i skrócenia jego pozostałej żywotności. W rzeczywistości oszacowano, że wzrost temperatury roboczej o 20˚C, spowodowany niewłaściwym zarządzaniem ciepłem, może skrócić żywotność podzespołów nawet o 50 procent.

Podejście do układu:

Podejście do zarządzania ciepłem powszechnie stosowane w wielu projektach polega na użyciu podłoży ze standardowym środkiem zmniejszającym palność na poziomie 4 (FR-4), niedrogim i łatwym w obróbce materiałem, skupiającym się na optymalizacji termicznej układu obwodów.

Główne przyjęte środki dotyczą zapewnienia dodatkowych powierzchni miedzianych, zastosowania ścieżek o większej grubości oraz wprowadzenia przelotek termicznych pod komponenty, które generują największą ilość ciepła. Bardziej agresywna technika, zdolna do odprowadzenia większej ilości ciepła, polega na włożeniu do płytki drukowanej lub nałożeniu na najbardziej zewnętrzne warstwy prawdziwych bloków miedzi, zazwyczaj w kształcie monety (stąd nazwa „miedziane monety”). Miedziane monety są przetwarzane oddzielnie, a następnie lutowane lub mocowane bezpośrednio do płytki drukowanej. Można je też włożyć do warstw wewnętrznych i połączyć z warstwami zewnętrznymi za pomocą przelotek termicznych. Rysunek 1 przedstawia płytkę drukowaną, w której wykonano specjalną wnękę, w której mieści się miedziana moneta.

Miedź ma współczynnik przewodzenia ciepła 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 jest już szeroko stosowana w produkcji płytek PCB; dlatego jest to idealny wybór do produkcji monet miedzianych, przelotek termicznych i płaszczyzn uziemiających, a wszystkie to rozwiązania poprawiające odprowadzanie ciepła.

Właściwe rozmieszczenie elementów aktywnych na płycie jest kluczowym czynnikiem zapobiegającym tworzeniu się gorących punktów, zapewniając w ten sposób możliwie równomierne rozprowadzanie ciepła po całej płycie. W związku z tym składniki aktywne powinny być rozmieszczone w dowolnej kolejności wokół płytki drukowanej, aby uniknąć tworzenia się gorących punktów w określonym obszarze. Lepiej jednak unikać umieszczania elementów aktywnych, które generują znaczną ilość ciepła w pobliżu krawędzi płytki. I odwrotnie, powinny być umieszczone jak najbliżej środka płyty, co sprzyja równomiernemu rozprowadzaniu ciepła. Jeśli urządzenie dużej mocy zostanie zamontowane w pobliżu krawędzi płytki, będzie ono gromadziło ciepło na krawędzi, zwiększając lokalną temperaturę. Jeśli natomiast zostanie umieszczony blisko środka płyty, ciepło będzie rozpraszane na powierzchni we wszystkich kierunkach, obniżając temperaturę i łatwiej ją rozpraszając. 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 konieczne jest odprowadzenie dużej ilości ciepła. Ciepło, które może gromadzić się w obwodach dużej mocy, jest znaczne, co pogarsza 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 zakresie zarządzania termicznego PCB dużej mocy. Oprócz lepszej przewodności cieplnej materiały te oferują doskonałe właściwości mechaniczne, które pomagają kompensować 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 zapewniają równie niskie straty przy niewielkim obniżeniu przewodności cieplnej.

Im wyższa przewodność cieplna materiału, tym szybsze przenoszenie ciepła. Wynika z tego, że metale takie jak aluminium, oprócz tego, że są lżejsze od ceramiki, stanowią doskonałe rozwiązanie w zakresie 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 po całej płycie. Niektórzy producenci oferują również płytki drukowane pokryte metalem, w których obie warstwy zewnętrzne są pokryte metalem, zazwyczaj aluminium lub ocynkowaną 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 którym jest również szczególnie przydatne ze względu na zdolność odbijania światła od podłoża.

Metalowe płytki PCB, zwane również izolującymi podłożami metalowymi (IMS), można laminować bezpośrednio na płytce drukowanej, uzyskując płytkę z podłożami FR-4 i metalowym rdzeniem w technologii jednowarstwowej i dwuwarstwowej z trasowaniem z kontrolą głębokości, który służy do odprowadzania ciepła z elementów 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 poprzez cienki dielektryk.

Główne zalety oferowane przez płytki drukowane IMS są następujące:

1. Rozpraszanie ciepła jest znacznie wyższe niż w przypadku standardowych konstrukcji FR-4.

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

3. Transfer ciepła jest wykładniczo bardziej wydajny niż w konwencjonalnej płytce PCB.

4. Oprócz technologii LED (podświetlane znaki, wyświetlacze i oświetlenie), płytki drukowane IMS są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym (reflektory, sterowanie silnikiem i wspomaganie kierownicy), w elektronice mocy (zasilacze prądu stałego, falowniki i sterowanie silnikiem) , w przełącznikach i przekaźnikach półprzewodnikowych.