Pristup toplinskom upravljanju PCB-ima velike snage
Dizajneri se suočavaju sa složenim problemima u ispunjavanju zahtjeva za napajanje, koji uključuju učinkovito upravljanje toplinom, počevši od dizajna PCB-a.
Cijeli energetski elektronički sektor, uključujući RF aplikacije i sustave koji uključuju signale velike brzine, razvija se prema rješenjima koja nude sve složenije funkcionalnosti u sve manjim prostorima. Dizajneri se suočavaju sa sve zahtjevnijim izazovima kako bi ispunili zahtjeve za veličinom, težinom i snagom sustava, što uključuje učinkovito upravljanje toplinom, počevši od dizajna tiskane ploče.
Uređaji aktivne snage visoke gustoće integracije, kao što su MOSFET tranzistori, mogu raspršiti značajnu količinu topline i stoga zahtijevaju PCB-ove koji mogu prenijeti toplinu s najtoplijih komponenti na uzemljene ravnine ili površine koje raspršuju toplinu, radeći što učinkovitije i učinkovitije. Toplinski stres je jedan od glavnih uzroka neispravnosti energetskih uređaja, jer dovodi do degradacije performansi ili čak mogućeg kvara ili kvara sustava. Brzi rast gustoće snage uređaja i stalno povećanje frekvencija glavni su razlozi koji uzrokuju prekomjerno zagrijavanje elektroničkih komponenti. Sve raširenija upotreba poluvodiča sa smanjenim gubicima snage i boljom toplinskom vodljivošću, kao što su širokopojasni materijali, sama po sebi nije dovoljna da eliminira potrebu za učinkovitim upravljanjem toplinom.
Trenutačni uređaji za napajanje temeljeni na siliciju 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. Zapravo, procijenjeno je da povećanje radne temperature od 20˚C, uzrokovano nepravilnim upravljanjem toplinom, može smanjiti preostali vijek trajanja komponenti do 50 posto.
Pristup rasporedu:
Pristup upravljanju toplinom koji se obično primjenjuje u mnogim projektima je korištenje podloga sa standardnom razinom usporavanja plamena 4 (FR-4), jeftinim i lako obradivim materijalom, s fokusom na toplinsku optimizaciju rasporeda strujnog kruga.
Glavne usvojene mjere odnose se na osiguravanje dodatnih bakrenih površina, korištenje traka veće debljine i umetanje toplinskih otvora ispod komponenti koje generiraju najveću količinu topline. Agresivnija tehnika, koja može raspršiti veću količinu topline, uključuje umetanje u PCB ili nanošenje na krajnje vanjske slojeve pravih bakrenih blokova, obično u obliku novčića (otuda i naziv "bakreni novčići"). Bakreni novčići se obrađuju zasebno i zatim lemljuju ili pričvršćuju izravno na tiskanu ploču, ili se mogu umetnuti u unutarnje slojeve i spojiti na vanjske slojeve pomoću toplinskih otvora. Slika 1 prikazuje PCB u kojem je napravljena posebna šupljina za smještaj bakrenog novčića.
Bakar ima koeficijent toplinske vodljivosti od 380 W/mK, u usporedbi s 225 W/mK za aluminij 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 izradu bakrenih novčića, toplinskih otvora i ravnina za uzemljenje, svih rješenja koja mogu poboljšati odvođenje topline.
Pravilno pozicioniranje aktivnih komponenti na ploči je ključni čimbenik u sprječavanju stvaranja vrućih točaka, čime se osigurava što ravnomjernija raspodjela topline duž cijele ploče. U tom smislu, aktivne komponente ne bi trebale biti raspoređene bez određenog reda oko PCB-a kako bi se izbjeglo stvaranje vrućih točaka u određenom području. Ipak, bolje je izbjegavati postavljanje aktivnih komponenti koje stvaraju značajnu količinu topline blizu rubova ploče. Nasuprot tome, trebali bi biti postavljeni što bliže sredini ploče, pogodujući ravnomjernoj raspodjeli topline. Ako je uređaj velike snage montiran blizu ruba ploče, on će stvarati toplinu na rubu, povećavajući lokalnu temperaturu. Ako se, pak, postavi blizu središta ploče, toplina će se raspršiti po površini u svim smjerovima, smanjujući temperaturu i lakše odvodeći toplinu. Uređaji za napajanje ne smiju se postavljati blizu osjetljivih komponenti i trebaju biti pravilno razmaknuti jedan od drugog.
Izbor PCB supstrata:
Zbog niske toplinske vodljivosti — između {{0}}.2 i 0,5 W/mK — FR-4 općenito nije prikladan za primjene u kojima je potrebno raspršiti veliku količinu topline. Toplina koja se može akumulirati u strujnim krugovima velike snage je znatna, što je dodatno pojačano činjenicom da ti sustavi često rade u teškim okruženjima i ekstremnim temperaturama. Korištenje alternativnog materijala supstrata s većom toplinskom vodljivošću može biti bolji izbor od korištenja tradicionalnog FR-4.
Keramički materijali, na primjer, nude značajne prednosti za upravljanje toplinom PCB-a velike snage. Uz poboljšanu toplinsku vodljivost, ovi materijali nude izvrsna mehanička svojstva koja pomažu kompenzirati naprezanje akumulirano tijekom ponovljenih toplinskih ciklusa. Osim toga, keramički materijali imaju manje dielektrične gubitke radeći na frekvencijama do 10 GHz. Za više frekvencije uvijek je moguće odlučiti se za hibridne materijale (kao što je PTFE), koji nude jednako niske gubitke uz skromno smanjenje toplinske vodljivosti.
Što je veća toplinska vodljivost materijala, to je brži prijenos topline. Iz toga slijedi da metali kao što je aluminij, osim što su lakši od keramike, nude izvrsno rješenje za prijenos topline s komponenti. Aluminij je posebno izvrstan vodič, ima izvrsnu izdržljivost, može se reciklirati i nije otrovan. Zahvaljujući visokoj toplinskoj vodljivosti, metalni slojevi pomažu u brzom prijenosu topline kroz ploču. Neki proizvođači također nude PCB-ove obložene metalom, pri čemu su oba vanjska sloja obložena metalom, obično aluminijem ili pocinčanim bakrom. S gledišta cijene po jedinici težine, aluminij je najbolji izbor, dok bakar nudi veću toplinsku vodljivost. Aluminij se naširoko koristi za konstrukciju PCB ploča koje podržavaju LED diode velike snage (primjer je prikazan na slici 2), u čemu je također posebno koristan zbog svoje sposobnosti odbijanja svjetlosti od podloge.
Metalni PCB-ovi, također poznati kao izolacijske metalne podloge (IMS), mogu se laminirati izravno u PCB, što rezultira pločom s FR-4 podlogama i metalnom jezgrom s jednoslojnom i dvoslojnom tehnologijom s usmjeravanjem za kontrolu dubine, koji služi za prijenos topline dalje od ugrađenih komponenti u manje kritična područja. Kod IMS PCB-a, tanak sloj toplinski vodljivog, ali električki izolirajućeg dielektrika je laminiran između metalne baze i bakrene folije. Bakrena folija je urezana u željeni uzorak kruga, a metalna baza apsorbira toplinu iz ovog kruga kroz tanki dielektrik.
Glavne prednosti koje nudi IMS PCB su sljedeće:
1. Rasipanje topline znatno je veće od standardnog FR-4 coupute.
2. Dielektrici su obično 5× do 10× toplinski vodljiviji od normalnog epoksidnog stakla.
3. Prijenos topline je eksponencijalno učinkovitiji nego kod konvencionalnih tiskanih ploča.
4. Osim LED tehnologije (osvijetljeni znakovi, displeji i rasvjeta), IMS sklopovi se široko koriste u automobilskoj industriji (prednja svjetla, kontrola motora i servo upravljač), u energetskoj elektronici (DC napajanje, pretvarači i kontrola motora) , u sklopkama i u poluvodičkim relejima.
