Nagy teljesítményű PCB-k hőkezelése
A tervezők összetett problémákkal szembesülnek az energiaigények teljesítése során, beleértve a hatékony hőkezelést, kezdve a PCB tervezéssel. A teljes energia-elektronikai szektor, beleértve a rádiófrekvenciás alkalmazásokat és a nagy sebességű jeleket használó rendszereket, olyan megoldások felé fejlődik, amelyek egyre összetettebb funkciókat kínálnak -kisebb terek. A tervezőknek egyre nagyobb kihívásokkal kell szembenézniük a rendszerméret-, tömeg- és teljesítménykövetelmények teljesítése érdekében, amelyek magukban foglalják a hatékony hőkezelést, kezdve a nyomtatott áramköri kártya tervezésével.
A nagy integrációs sűrűségű aktív teljesítményű eszközök, mint például a MOSFET tranzisztorok jelentős mennyiségű hőt tudnak elvezetni, ezért olyan PCB-kre van szükségük, amelyek a lehető leghatékonyabban és leghatékonyabban képesek a hőt a legforróbb alkatrészekről az alaplapokra vagy hőleadó felületekre továbbítani. A hőfeszültség az egyik fő oka az erősáramú berendezések hibás működésének, mivel ez a teljesítmény romlásához, vagy akár a rendszer esetleges meghibásodásához vagy meghibásodásához vezet. A készülékek teljesítménysűrűségének gyors növekedése és a frekvenciák állandó növekedése a fő ok, ami az elektronikai alkatrészek túlzott felmelegedését okozza. A csökkent teljesítményveszteséggel és jobb hővezető képességgel rendelkező félvezetők, például a széles sávszélességű anyagok egyre szélesebb körben elterjedt alkalmazása önmagában nem elegendő a hatékony hőkezelés szükségességének megszüntetéséhez.
A jelenlegi szilícium alapú tápeszközök körülbelül 125 °C és 200 °C közötti csatlakozási hőmérsékletet érnek el. Mindazonáltal mindig célszerű az eszközt ezen határérték alatt üzemelni, mivel ez annak gyors leromlásához és maradék élettartamának csökkenéséhez vezetne. Valójában a becslések szerint az üzemi hőmérséklet 20°C-os emelkedése, amelyet a nem megfelelő hőkezelés okoz, akár 50 százalékkal is csökkentheti az alkatrészek fennmaradó élettartamát.
Elrendezési megközelítés:
A sok projektben általánosan alkalmazott hőkezelési megközelítés a szabványos lángálló 4-es szintű (FR-4) hordozók használata, amely egy olcsó és könnyen megmunkálható anyag, amely az áramköri elrendezés termikus optimalizálására összpontosít.
A főbb elfogadott intézkedések a további rézfelületek biztosítására, a nagyobb vastagságú nyomok alkalmazására, valamint a legnagyobb hőmennyiséget termelő alkatrészek alá termikus átvezetésre vonatkoznak. Egy agresszívebb technika, amely nagyobb mennyiségű hő elvezetésére képes, a NYÁK-ba való behelyezést vagy a legkülső rétegekre valós réztömbök felvitelét jelenti, jellemzően érme formájúak (innen ered a "rézérmék" elnevezés). A rézérméket külön-külön dolgozzák fel, majd forrasztják vagy közvetlenül a NYÁK-hoz rögzítik, vagy beilleszthetők a belső rétegekbe, és hőátmeneteken keresztül csatlakoztathatók a külső rétegekhez. Az 1. ábra egy PCB-t mutat, amelyben egy speciális üreget alakítottak ki egy rézérme elhelyezésére.
A réz hővezetési együtthatója 380 W/mK, szemben az alumínium 225 W/mK-val és az FR-4 0,3 W/mK-val. A réz viszonylag olcsó fém, és már széles körben használják a PCB-gyártásban; ezért ideális választás rézérmék, termikus átvezetések és alaplapok készítéséhez, amelyek mindegyike képes javítani a hőelvezetést.
Az aktív komponensek megfelelő elhelyezése a táblán döntő tényező a forró pontok kialakulásának megakadályozásában, így biztosítva a hő lehető legegyenletesebben oszlik el a teljes táblán. Ebben a tekintetben az aktív komponenseket nem szabad meghatározott sorrendben elosztani a PCB körül, hogy elkerüljük a forró pontok kialakulását egy adott területen. Azonban jobb elkerülni, hogy az aktív alkatrészeket a tábla szélei közelében helyezzék el, amelyek jelentős mennyiségű hőt termelnek. Ezzel szemben a lehető legközelebb kell elhelyezni őket a tábla közepéhez, elősegítve az egyenletes hőelosztást. Ha egy nagy teljesítményű eszközt a tábla széléhez szerelnek fel, az felmelegíti a szélét, ami növeli a helyi hőmérsékletet. Ha viszont a tábla közepéhez közel helyezzük el, a hő minden irányban eloszlik a felületen, csökkentve a hőmérsékletet és könnyebben elvezeti a hőt. A tápegységeket nem szabad érzékeny alkatrészek közelébe helyezni, és megfelelő távolságra kell őket egymástól elhelyezni.
PCB hordozó kiválasztása:
Alacsony hővezető képessége miatt — {{0}},2 és 0,5 W/mK között — az FR-4 általában nem alkalmas olyan alkalmazásokra, ahol nagy mennyiségű hőt kell elvezetni. A nagy teljesítményű áramkörökben felhalmozódó hő jelentős, amit tetézi az a tény, hogy ezek a rendszerek gyakran zord környezetben és szélsőséges hőmérsékleten működnek. Alternatív, nagyobb hővezető képességű hordozóanyag használata jobb választás lehet, mint a hagyományos FR-4 használata.
A kerámia anyagok például jelentős előnyöket kínálnak a nagy teljesítményű PCB-k hőkezelésében. A jobb hővezető képesség mellett ezek az anyagok kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek segítenek kompenzálni az ismételt hőciklus során felhalmozódott feszültséget. Ezenkívül a kerámia anyagoknak kisebb a dielektromos vesztesége 10 GHz-ig terjedő frekvencián. Magasabb frekvenciák esetén mindig lehetőség van hibrid anyagok (például PTFE) választására, amelyek ugyanolyan alacsony veszteséget kínálnak, és a hővezető képesség mérsékelt csökkenésével jár.
Minél nagyobb egy anyag hővezető képessége, annál gyorsabb a hőátadás. Ebből következik, hogy az olyan fémek, mint az alumínium, amellett, hogy könnyebbek a kerámiánál, kiváló megoldást kínálnak a hő elvezetésére az alkatrészektől. Az alumínium különösen kiváló vezető, kiváló a tartóssága, újrahasznosítható és nem mérgező. Magas hővezető képességüknek köszönhetően a fémrétegek elősegítik a hő gyors átadását az egész táblán. Egyes gyártók fémbevonatú PCB-ket is kínálnak, amelyeknél mindkét külső réteg fémbevonatú, jellemzően alumínium vagy horganyzott réz. Súlyegységenkénti költség szempontjából az alumínium a legjobb választás, míg a réz magasabb hővezető képességgel rendelkezik. Az alumíniumot széles körben használják nagy teljesítményű LED-eket támogató nyomtatott áramköri lapok készítésére (a 2. ábrán látható példa), amelynél különösen hasznos, mert képes visszaverni a fényt a hordozóról.
A fém PCB-k, más néven szigetelő fémhordozók (IMS), közvetlenül a NYÁK-ba laminálhatók, így egy FR{0}} szubsztrátummal és fémmaggal rendelkező tábla jön létre, egy- és kétrétegű technológiával, mélységszabályozással, amely a hő elvezetésére szolgál a fedélzeti alkatrészekről és a kevésbé kritikus területekre. Az IMS PCB-kben egy vékony hővezető, de elektromosan szigetelő dielektrikum réteget laminálnak egy fém alap és egy rézfólia közé. A rézfóliát a kívánt áramköri mintába marják, és a fém alap a vékony dielektrikumon keresztül elnyeli a hőt ebből az áramkörből.
Az IMS PCB-k által kínált fő előnyök a következők:
1. A hőleadás lényegesen magasabb, mint a szabványos FR-4 konstrukcióknál.
2. A dielektrikumok jellemzően 5-10-szer hővezetőbbek, mint a normál epoxiüveg.
3. A hőátvitel exponenciálisan hatékonyabb, mint egy hagyományos PCB-nél.
4. A LED-technológia (világító táblák, kijelzők és világítás) mellett az IMS áramköri lapokat széles körben használják az autóiparban (fényszórók, motorvezérlés és szervokormány), a teljesítményelektronikában (egyenáramú tápegység, inverterek és motorvezérlés) , kapcsolókban és félvezető relékben.
