Pristup termičkom upravljanju PCB-ima velike snage
Dizajneri se suočavaju sa složenim problemima u ispunjavanju zahtjeva za napajanjem, koji uključuju efikasno upravljanje toplinom, počevši od dizajna PCB-a.
Čitav sektor elektroenergetike, uključujući RF aplikacije i sisteme koji uključuju signale velike brzine, evoluira prema rješenjima koja nude sve složenije funkcionalnosti u sve manjim prostorima. Dizajneri se suočavaju sa sve zahtjevnijim izazovima da ispune zahtjeve za veličinu sistema, težinu i snagu, koji uključuju efikasno upravljanje toplinom, počevši od dizajna štampane ploče.
Uređaji aktivne snage visoke integracije, kao što su MOSFET tranzistori, mogu raspršiti značajnu količinu toplote i stoga zahtijevaju PCB-e koji mogu prenijeti toplinu od najtoplijih komponenti na uzemljene površine ili površine koje raspršuju toplinu, radeći što je moguće efikasnije i efektivnije. Toplotni stres je jedan od glavnih uzroka neispravnosti elektroenergetskih uređaja, jer dovodi do degradacije performansi ili čak do mogućeg kvara ili kvara sistema. Brzi rast gustine snage uređaja i konstantno povećanje frekvencija glavni su razlozi koji uzrokuju prekomjerno zagrijavanje elektroničkih komponenti. Sve raširenija upotreba poluprovodnika sa smanjenim gubicima snage i boljom toplotnom provodljivošću, kao što su materijali sa širokim pojasom, sama po sebi nije dovoljna da eliminiše potrebu za efikasnim upravljanjem toplotom.
Trenutni uređaji za napajanje bazirani na silikonu postižu temperaturu spoja između oko 125˚C i 200˚C. Međutim, uvijek je poželjno da uređaj radi ispod ove granice, jer bi to dovelo do njegove brze degradacije i smanjenja njegovog preostalog vijeka trajanja. U stvari, procijenjeno je da povećanje radne temperature od 20˚C, uzrokovano nepravilnim upravljanjem toplinom, može smanjiti preostali vijek komponenti do 50 posto.
Pristup rasporedu:
Pristup termičkom upravljanju koji se obično slijedi u mnogim projektima je korištenje supstrata sa standardnim nivoom otpornosti na plamen 4 (FR-4), jeftinog i lako obradivog materijala, fokusirajući se na termičku optimizaciju rasporeda kola.
Glavne usvojene mjere odnose se na obezbjeđivanje dodatnih bakrenih površina, korištenje tragova veće debljine i umetanje termičkih sredstava ispod komponenti koje stvaraju najveću količinu topline. Agresivnija tehnika, sposobna da rasprši veću količinu toplote, uključuje umetanje u PCB ili nanošenje pravih bakrenih blokova na najudaljenije slojeve, obično u obliku novčića (otuda naziv "bakarni novčići"). Bakarni novčići se obrađuju odvojeno, a zatim se lemljuju ili pričvršćuju direktno na PCB, ili se mogu umetnuti u unutrašnje slojeve i povezati sa vanjskim slojevima preko termalnih spojeva. Slika 1 prikazuje PCB u kojem je napravljena posebna šupljina za smještaj bakrenog novčića.
Bakar ima koeficijent toplotne provodljivosti od 380 W/mK, u poređenju sa 225 W/mK za aluminijum i 0,3 W/mK za FR-4. Bakar je relativno jeftin metal i već se široko koristi u proizvodnji PCB-a; stoga je idealan izbor za pravljenje bakrenih kovanica, termalnih spojeva i uzemljenih ploča, svih rješenja koja mogu poboljšati disipaciju topline.
Pravilno pozicioniranje aktivnih komponenti na ploči je ključni faktor u sprječavanju stvaranja vrućih tačaka, čime se osigurava da se toplina distribuira što je moguće ravnomjernije duž cijele ploče. U tom smislu, aktivne komponente ne bi trebale biti raspoređene bez posebnog reda oko PCB-a kako bi se izbjeglo stvaranje vrućih tačaka u određenom području. Međutim, bolje je izbjegavati postavljanje aktivnih komponenti koje stvaraju značajnu količinu topline blizu rubova ploče. Nasuprot tome, trebalo bi da budu postavljeni što bliže centru ploče, što pogoduje ravnomernoj raspodeli toplote. Ako je uređaj velike snage montiran blizu ruba ploče, on će akumulirati toplinu na rubu, povećavajući lokalnu temperaturu. Ako se, s druge strane, postavi blizu centra ploče, toplina će se raspršiti na površini u svim smjerovima, smanjujući temperaturu i lakše raspršujući toplinu. Uređaji za napajanje ne bi trebalo da se postavljaju blizu osetljivih komponenti i trebalo bi da budu na odgovarajući način udaljeni jedan od drugog.
Izbor PCB podloge:
Zbog svoje niske toplotne provodljivosti — između {{0}},2 i 0,5 W/mK — FR-4 općenito nije pogodan za primjene u kojima je potrebno odvesti veliku količinu topline. Toplota koja se može akumulirati u strujnim strujnim krugovima je značajna, što je dodatno pogoršano činjenicom da ovi sistemi često rade u teškim okruženjima i ekstremnim temperaturama. Upotreba alternativnog materijala podloge sa većom toplotnom provodljivošću može biti bolji izbor od upotrebe tradicionalnog FR-4.
Keramički materijali, na primjer, nude značajne prednosti za termičko upravljanje PCB-ima velike snage. Osim poboljšane toplinske provodljivosti, ovi materijali nude izvrsna mehanička svojstva koja pomažu u kompenziranju naprezanja akumuliranog tokom ponovljenih termičkih ciklusa. Uz to, keramički materijali imaju niže dielektrične gubitke koji rade na frekvencijama do 10 GHz. Za veće frekvencije, uvijek je moguće odlučiti se za hibridne materijale (kao što je PTFE), koji nude jednako niske gubitke uz skromno smanjenje toplinske provodljivosti.
Što je veća toplotna provodljivost materijala, to je brži prenos toplote. Iz toga proizilazi da metali kao što je aluminij, osim što su lakši od keramike, nude odlično rješenje za prijenos topline sa komponenti. Aluminij je posebno odličan provodnik, ima odličnu izdržljivost, može se reciklirati i nije toksičan. Zahvaljujući svojoj visokoj toplotnoj provodljivosti, metalni slojevi pomažu u brzom prenosu toplote kroz ploču. Neki proizvođači nude i PCB-ove obložene metalom, pri čemu su oba vanjska sloja obložena metalom, obično aluminijum ili pocinčani bakar. Sa stanovišta cene po jedinici težine, aluminijum je najbolji izbor, dok bakar nudi veću toplotnu provodljivost. Aluminij se široko koristi za konstrukciju PCB-a koji podržavaju LED diode velike snage (primjer je prikazan na slici 2), u kojoj je također posebno koristan zbog svoje sposobnosti da reflektira svjetlost od podloge.
Metalne PCB-e, poznate i kao izolacione metalne podloge (IMS), mogu se laminirati direktno u PCB, što rezultira pločom sa FR-4 podlogama i metalnim jezgrom sa jednoslojnom i dvoslojnom tehnologijom sa regulacijom dubine, koji služi za prijenos topline dalje od komponenti na vozilu i na manje kritična područja. U IMS PCB-ima, tanak sloj toplotno provodljivog, ali električno izolirajućeg dielektrika laminiran je između metalne baze i bakarne folije. Bakarna folija je urezana u željeni uzorak kola i metalna baza apsorbuje toplotu iz ovog kola kroz tanki dielektrik.
Glavne prednosti koje nude IMS PCB su sljedeće:
1. Rasipanje topline je znatno veće od standardnog FR-4 couputstva.
2. Dielektrici su obično 5× do 10× toplinski provodljiviji od normalnog epoksidnog stakla.
3. Toplotni transfer je eksponencijalno efikasniji nego kod konvencionalnih PCB-a.
4. Osim LED tehnologije (svjetleći znakovi, displeji i rasvjeta), IMS ploče se široko koriste u automobilskoj industriji (prednja svjetla, kontrola motora i servo upravljač), u energetskoj elektronici (DC napajanje, invertori i kontrola motora) , u prekidačima i u poluvodičkim relejima.
