Întreaga industrie electronică de putere, inclusiv aplicațiile și sistemele RF care implică semnale de mare viteză, se îndreaptă către soluții care oferă funcționalități din ce în ce mai complexe în spații din ce în ce mai mici. Designerii se confruntă cu provocări din ce în ce mai exigente în îndeplinirea cerințelor privind dimensiunea, greutatea și puterea sistemului, inclusiv gestionarea termică eficientă, care, la rândul său, începe cu proiectarea PCB-ului.
Dispozitivele de alimentare activă foarte integrate (de exemplu, tranzistoare MOSFET) emit cantități mari de căldură, necesitând PCB-uri care pot transfera căldură de la cele mai fierbinți componente la sol sau la suprafața radiatorului pentru a funcționa cât mai eficient posibil. Stresul termic este una dintre principalele cauze ale defectării dispozitivului de alimentare, deoarece poate provoca degradarea performanței și poate duce chiar la defectarea sau funcționarea defectuoasă a sistemului. Creșterea rapidă a densității de putere a dispozitivului și creșterea frecvenței sunt principalele cauze ale supraîncălzirii componentelor electronice. În timp ce semiconductorii cu pierderi de energie mai mici și o conductivitate termică mai bună, cum ar fi materialele cu bandă largă, sunt utilizați din ce în ce mai mult, ei nu sunt suficienți de la sine pentru a elimina necesitatea unei gestionări termice eficiente.
Dispozitivele actuale de alimentare pe bază de siliciu pot fi realizate la temperaturi de joncțiune cuprinse între aproximativ 125 ° C și 200 ° C. Cu toate acestea, este de dorit să se permită întotdeauna dispozitivului să funcționeze fără a depăși această condiție de limitare, evitând astfel îmbătrânirea rapidă a dispozitivului și scurtând durata de viață rămasă. De fapt, se estimează că, dacă gestionarea termică necorespunzătoare duce la o creștere cu 20 °C a temperaturii de funcționare, reducerea rezultată a duratei de viață rămase a componentei va fi de până la 50%.
Layout Wiring (aspect) Metodologie
O metodă comună de management termic utilizată în multe proiecte este utilizarea unui substrat standard de ignifugare clasa 4 (FR-4), care este un material ieftin și ușor de procesat care se concentrează pe optimizarea termică a aspectului circuitului.
Principalele măsuri utilizate implică furnizarea de suprafețe suplimentare de cupru, utilizarea alinierilor mai groase și introducerea chiuvetelor de căldură sub componentele care generează cea mai mare căldură. O tehnică mai radicală pentru a disipa mai multă căldură implică introducerea sau aplicarea unui bloc de cupru real la PCB sau la stratul exterior, care este de obicei în formă de monedă, de unde și numele de "monedă de cupru". După procesarea monedei de cupru separat, aceasta poate fi lipită sau atașată direct la PCB sau poate fi introdusă în stratul interior și conectată la stratul exterior prin radiator. PCB-ul prezentat în figura 1 este realizat într-o cavitate specială pentru a găzdui o monedă de cupru.
Cuprul are o conductivitate termică de 380 W/mK, comparativ cu 225 W/mK pentru aluminiu și 0,3 W/mK pentru FR-4. Cuprul este un metal relativ ieftin, care a fost utilizat pe scară largă în fabricarea PCB- urilor; prin urmare, este ideal pentru a face monede de cupru, găuri de chiuvetă de căldură și straturi de sol - toate soluțiile care îmbunătățesc disiparea căldurii.
Plasarea corectă a dispozitivelor active pe bord este un factor cheie în prevenirea formării punctelor fierbinți, asigurându-se astfel că căldura este distribuită cât mai uniform posibil peste tot. În acest sens, dispozitivele active ar trebui distribuite în jurul PCB-ului în nici o ordine specială, evitându-se astfel formarea de puncte fierbinți în anumite zone. Cu toate acestea, cel mai bine este să evitați plasarea dispozitivelor active care generează multă căldură aproape de marginea plăcii. În schimb, acestea ar trebui plasate cât mai aproape posibil de centrul plăcii, facilitând astfel distribuția uniformă a căldurii. Dacă dispozitivele de mare putere sunt instalate în apropierea marginii plăcii, acestea vor acumula căldură la margine, crescând astfel temperatura locală. Pe de altă parte, dacă sunt plasate în apropierea centrului plăcii, căldura va fi distribuită în toate direcțiile de-a lungul suprafeței, facilitând reducerea temperaturii și facilitarea distribuirii căldurii. Dispozitivele de alimentare nu trebuie plasate aproape de componentele sensibile și ar trebui să fie distanțate corespunzător unul de celălalt.
Măsurile luate la nivel de dispunere pot fi îmbunătățite în continuare prin utilizarea sistemelor active de răcire și răcire pasivă (cum ar fi chiuvetele de căldură sau ventilatoarele) - astfel de sisteme pot elimina căldura de la dispozitivele active, mai degrabă decât să o emită direct în placă. În general, proiectanții trebuie să găsească compromisul potrivit între diferitele strategii de management termic, în funcție de cerințele aplicației respective și de bugetul disponibil.
PCB substrat de selecție
FR-4 nu este de obicei potrivit pentru aplicațiile care necesită disiparea unor cantități mari de căldură datorită conductivității termice scăzute (între 0,2 și 0,5 W/mK). Căldura generată în circuitele de mare putere poate fi considerabilă, iar aceste sisteme funcționează adesea în medii dure și temperaturi extreme. Utilizarea unui material de substrat alternativ cu conductivitate termică mai mare poate fi o alegere mai bună decât utilizarea FR-4 tradițională.
Materialele ceramice, de exemplu, oferă avantaje semnificative pentru gestionarea termică a PCB-urilor de mare putere. Astfel de materiale, pe lângă îmbunătățirea conductivității termice, au, de asemenea, proprietăți mecanice excelente și, astfel, ajută la compensarea tensiunilor acumulate în timpul ciclismului termic repetat. În plus, materialele ceramice au o pierdere dielectrică scăzută la frecvențe de până la 10 GHz. Pentru frecvențe mai mari, este întotdeauna posibil să se aleagă materiale hibride (de exemplu, PTFE), care oferă aceleași pierderi scăzute, dar cu o reducere moderată a conductivității termice.
Cu cât conductivitatea termică a materialului este mai mare, cu atât transferul de căldură este mai rapid. Astfel, pe lângă faptul că sunt mai ușoare decât ceramica, metalele precum aluminiul oferă o soluție excelentă pentru transferul căldurii departe de componente. Aluminiul, în special, este, de asemenea, un conductor excelent, are o durabilitate excelentă, este reciclabil și este non-toxic. Datorită conductivității termice ridicate, stratul metalic ajută la transferul rapid al căldurii pe tot parcursul plăcii. Unii producători oferă, de asemenea, PCB-uri placate cu metal, unde ambele straturi exterioare sunt placate cu metal, de obicei aluminiu sau cupru galvanizat. Aluminiul este cea mai bună alegere dintr-o perspectivă cost-pe-greutate, în timp ce cuprul are o conductivitate termică mai mare. Aluminiul este, de asemenea, utilizat pe scară largă pentru a face PCB-uri care acceptă LED-uri de mare putere (așa cum se arată în exemplul din figura 2), unde capacitatea sa de a reflecta lumina departe de substrat este, de asemenea, deosebit de utilă.
Chiar și argintul, datorită conductivității sale termice de aproximativ 5% mai mare decât cuprul, poate fi, de asemenea, utilizat pentru a crea aliniamente, vias, tampoane și straturi metalice. În plus, dacă placa este utilizată într-un mediu umed în care există gaze toxice, utilizarea finisajelor de argint pe aliniamentele goale de cupru și plăcuțele de lipire din cupru va ajuta la prevenirea coroziunii - o amenințare tipică cunoscută în astfel de medii.
PCB-urile metalice, cunoscute și sub numele de substraturi metalice izolate (IMS), pot fi laminate direct în PCB pentru a forma plăci cu substraturi FR-4 și miezuri metalice. Se utilizează tehnologii cu un singur strat și dublu, cu cabluri controlate la adâncime, prin care căldura poate fi transferată de la componentele de la bord în zone mai puțin critice. În PCB-urile IMS, un strat subțire de dielectric conductiv termic, dar izolator electric este laminat între un substrat metalic și o folie de cupru. Folia de cupru este gravată în modelul de circuit dorit, iar substratul metalic absoarbe căldura din circuit prin acest dielectric subțire.
Principalele avantaje oferite de PCB-urile IMS sunt următoarele.
-Disiparea căldurii semnificativ mai mare decât structurile standard FR-4.
-Conductivitatea termică a dielectricului este de obicei de 5 până la 10 ori mai mare decât cea a sticlei epoxidice obișnuite.
-Eficiența transferului de căldură este mult mai mare decât cea a PCB-urilor convenționale.
În plus față de tehnologia LED (semne luminoase, afișaje și iluminat), PCB-urile IMS sunt utilizate pe scară largă în industria auto (faruri, comenzi ale motorului și servodirecție), electronică de putere (surse de alimentare în curent continuu, invertoare și comenzi ale motorului), comutatoare și relee semiconductoare.