Tepelný management vysoce výkonných PCB

Návrháři čelí složitým problémům při plnění požadavků na napájení, které zahrnují efektivní tepelné řízení, počínaje návrhem PCB. Celý sektor výkonové elektroniky, včetně RF aplikací a systémů zahrnujících vysokorychlostní signály, se vyvíjí směrem k řešením, která nabízejí stále složitější funkce. - menší prostory. Návrháři čelí stále náročnějším výzvám, aby splnili požadavky na velikost, hmotnost a výkon systému, které zahrnují efektivní řízení teploty, počínaje návrhem desky tištěných spojů.

Zařízení aktivního napájení s vysokou integrací a hustotou, jako jsou tranzistory MOSFET, mohou odvádět značné množství tepla, a proto vyžadují desky plošných spojů, které mohou přenášet teplo z nejžhavějších součástí na zemní plochy nebo povrchy odvádějící teplo, přičemž fungují co nejúčinněji a nejúčinněji. Tepelné namáhání je jednou z hlavních příčin nefunkčnosti silových zařízení, neboť vede ke snížení výkonu nebo dokonce k možné poruše či selhání systému. Rychlý růst hustoty výkonu zařízení a neustálé zvyšování frekvencí jsou hlavními důvody, které způsobují nadměrné zahřívání elektronických součástek. Stále rozšířenější používání polovodičů se sníženými energetickými ztrátami a lepší tepelnou vodivostí, jako jsou materiály s širokým pásmem, samo o sobě nestačí k odstranění potřeby efektivního tepelného managementu.

Současná výkonová zařízení na bázi křemíku dosahují teploty přechodu mezi přibližně 125 °C a 200 °C. Vždy je však výhodnější provozovat zařízení pod touto hranicí, protože by to vedlo k rychlé degradaci zařízení a snížení jeho zbytkové životnosti. Ve skutečnosti se odhaduje, že zvýšení provozní teploty o 20˚C způsobené nesprávným tepelným managementem může snížit zbytkovou životnost součástí až o 50 procent.

Přístup k rozložení:

Přístup k tepelnému řízení, který se běžně používá v mnoha projektech, je použití substrátů se standardním zpomalovačem hoření úrovně 4 (FR-4), levným a snadno zpracovatelným materiálem, který se zaměřuje na tepelnou optimalizaci uspořádání obvodu.

Hlavní přijatá opatření se týkají zajištění dodatečných měděných povrchů, použití pásů s větší tloušťkou a vložení tepelného průchodu pod komponenty, které generují největší množství tepla. Agresivnější technika, schopná odvést větší množství tepla, zahrnuje vložení do DPS nebo nanesení na vnější vrstvy skutečných měděných bloků, typicky ve tvaru mince (odtud název „měděné mince“). Měděné mince se zpracovávají odděleně a poté se připájejí nebo připevňují přímo k desce plošných spojů, nebo mohou být vloženy do vnitřních vrstev a připojeny k vnějším vrstvám pomocí tepelných prostupů. Obrázek 1 ukazuje desku plošných spojů, ve které byla vytvořena speciální dutina pro uložení měděné mince.

Měď má koeficient tepelné vodivosti 380 W/mK ve srovnání s 225 W/mK pro hliník a 0,3 W/mK pro FR-4. Měď je relativně levný kov a je již široce používán při výrobě PCB; proto je ideální volbou pro výrobu měděných mincí, tepelných prostupů a zemních ploch, což jsou všechna řešení schopná zlepšit odvod tepla.

Správné rozmístění aktivních komponent na desce je zásadním faktorem pro zamezení vzniku horkých míst, čímž je zajištěno co nejrovnoměrnější rozložení tepla po celé desce. V tomto ohledu by aktivní složky měly být rozmístěny v žádném konkrétním pořadí kolem desky plošných spojů, aby se zabránilo tvorbě horkých míst v určité oblasti. Je však lepší vyhnout se umístění aktivních součástí, které generují značné množství tepla, blízko okrajů desky. Naopak by měly být umístěny co nejblíže středu desky, aby bylo zajištěno rovnoměrné rozložení tepla. Pokud je zařízení s vysokým výkonem namontováno blízko okraje desky, bude na okraji hromadit teplo, čímž se zvýší místní teplota. Pokud je naopak umístěna blízko středu desky, teplo se po povrchu rozptýlí všemi směry, sníží se teplota a teplo se snadněji odvede. Napájecí zařízení by neměla být umístěna blízko citlivých součástí a měla by být od sebe správně vzdálena.

Výběr substrátu PCB:

Kvůli své nízké tepelné vodivosti — mezi {{0}}},2 a 0,5 W/mK — FR-4 obecně není vhodný pro aplikace, ve kterých je potřeba odvést velké množství tepla. Teplo, které se může nahromadit v obvodech s vysokým výkonem, je značné, což je umocněno skutečností, že tyto systémy často pracují v drsném prostředí a extrémních teplotách. Použití alternativního substrátového materiálu s vyšší tepelnou vodivostí může být lepší volbou než použití tradičního FR-4.

Keramické materiály například nabízejí významné výhody pro tepelné řízení vysoce výkonných desek plošných spojů. Kromě zlepšené tepelné vodivosti nabízejí tyto materiály vynikající mechanické vlastnosti, které pomáhají kompenzovat napětí nahromaděné během opakovaných tepelných cyklů. Kromě toho mají keramické materiály nižší dielektrické ztráty pracující při frekvencích do 10 GHz. Pro vyšší frekvence je vždy možné zvolit hybridní materiály (např. PTFE), které nabízejí stejně nízké ztráty s mírným snížením tepelné vodivosti.

Čím vyšší je tepelná vodivost materiálu, tím rychlejší je přenos tepla. Z toho vyplývá, že kovy, jako je hliník, kromě toho, že jsou lehčí než keramika, nabízejí vynikající řešení pro přenos tepla pryč od součástí. Zejména hliník je vynikající vodič, má vynikající životnost, je recyklovatelný a netoxický. Kovové vrstvy díky své vysoké tepelné vodivosti napomáhají rychlému přenosu tepla po celé desce. Někteří výrobci také nabízejí kovem potažené PCB, kde obě vnější vrstvy jsou kovové, obvykle hliník nebo pozinkovaná měď. Z hlediska nákladů na jednotku hmotnosti je hliník nejlepší volbou, zatímco měď nabízí vyšší tepelnou vodivost. Hliník je široce používán pro konstrukci desek plošných spojů, které podporují vysoce výkonné LED diody (příklad je znázorněn na obrázku 2), ve kterých je také zvláště užitečný pro svou schopnost odrážet světlo od substrátu.

Kovové desky plošných spojů, známé také jako izolační kovové substráty (IMS), lze laminovat přímo do plošných spojů, což vede k desce s FR-4 substráty a kovovým jádrem s jednovrstvou a dvouvrstvou technologií s řízením hloubky, který slouží k přenosu tepla od palubních součástí a do méně kritických oblastí. U desek plošných spojů IMS je mezi kovovou základnou a měděnou fólií nalaminována tenká vrstva tepelně vodivého, ale elektricky izolujícího dielektrika. Měděná fólie je vyleptána do požadovaného vzoru obvodu a kovová základna absorbuje teplo z tohoto obvodu přes tenké dielektrikum.

Hlavní výhody nabízené IMS PCB jsou následující:

1. Odvod tepla je výrazně vyšší než u standardních FR-4 konstrukcí.

2. Dielektrika jsou typicky 5× až 10× tepelně vodivější než normální epoxidové sklo.

3. Přenos tepla je exponenciálně účinnější než u běžné desky plošných spojů.

4. Kromě LED technologie (světelné nápisy, displeje a osvětlení) jsou desky plošných spojů IMS široce používány v automobilovém průmyslu (světlomety, řízení motoru a posilovače řízení), ve výkonové elektronice (stejnosměrné napájení, měniče a řízení motoru) , ve spínačích a v polovodičových relé.