Suure võimsusega PCBde soojusjuhtimine
Toitenõuete täitmisel seisavad disainerid silmitsi keeruliste probleemidega, mis hõlmavad tõhusat soojusjuhtimist, alustades PCB disainist. Kogu elektri-elektroonikasektor, sealhulgas RF-rakendused ja kiireid signaale hõlmavad süsteemid, areneb lahenduste poole, mis pakuvad üha keerukamaid funktsioone. - väiksemad ruumid. Disainerid seisavad silmitsi järjest suuremate väljakutsetega, et täita süsteemi suuruse, kaalu ja võimsuse nõudeid, mis hõlmavad tõhusat soojusjuhtimist, alustades trükkplaadi projekteerimisest.
Suure integratsioonitihedusega aktiivvõimsusseadmed, nagu MOSFET-transistorid, võivad hajutada märkimisväärsel hulgal soojust ja seetõttu on vaja PCB-sid, mis suudavad soojust kõige kuumematelt komponentidelt maatasapindadele või soojust hajutavatele pindadele üle kanda, töötades võimalikult tõhusalt ja tõhusalt. Termiline stress on üks peamisi toiteseadmete talitlushäirete põhjuseid, kuna see põhjustab jõudluse halvenemist või isegi süsteemi võimalikku talitlushäireid või rikkeid. Seadmete võimsustiheduse kiire kasv ja pidev sageduste tõus on peamised põhjused, mis põhjustavad elektroonikakomponentide liigset kuumenemist. Vähenenud võimsuskadude ja parema soojusjuhtivusega pooljuhtide, näiteks laia ribalaiusega materjalide, üha laialdasem kasutamine ei ole iseenesest piisav, et kõrvaldada vajadus tõhusa soojusjuhtimise järele.
Praegused ränipõhised toiteseadmed saavutavad ühendustemperatuuri vahemikus umbes 125–200 °C. Siiski on alati eelistatav panna seade töötama alla selle piiri, kuna see tooks kaasa selle kiire lagunemise ja selle järelejäänud eluea lühenemise. Tegelikult on hinnatud, et valest soojusjuhtimisest tingitud töötemperatuuri tõus 20˚C võrra võib vähendada komponentide eluiga kuni 50 protsenti.
Paigutusviis:
Soojusjuhtimise lähenemisviis, mida paljudes projektides tavaliselt järgitakse, on kasutada substraate standardse leegiaeglustaja tasemega 4 (FR-4), mis on odav ja hõlpsasti töödeldav materjal, keskendudes vooluahela paigutuse termilisele optimeerimisele.
Peamised vastuvõetud meetmed puudutavad täiendavate vaskpindade pakkumist, suurema paksusega jälgede kasutamist ja termilise läbipääsu sisestamist kõige rohkem soojust tekitavate komponentide alla. Agressiivsem tehnika, mis suudab hajutada suuremat kogust soojust, hõlmab tõeliste vaskplokkide sisestamist PCB-sse või välimiste kihtide pealekandmist, tavaliselt mündi kujul (sellest ka nimi "vasemüntid"). Vaskmünte töödeldakse eraldi ja seejärel joodetakse või kinnitatakse otse PCB-le või sisestatakse need sisekihtidesse ja ühendatakse väliskihtidega termiliste läbipääsude kaudu. Joonisel 1 on kujutatud PCB, millesse on tehtud spetsiaalne õõnsus vasemündi paigutamiseks.
Vase soojusjuhtivuse koefitsient on 380 W/mK, alumiiniumi puhul 225 W/mK ja FR-4 0,3 W/mK. Vask on suhteliselt odav metall ja seda kasutatakse juba laialdaselt trükkplaatide valmistamisel; Seetõttu on see ideaalne valik vaskmüntide, termiliste läbiviikude ja maandusplaatide valmistamiseks – kõik lahendused, mis parandavad soojuse hajumist.
Aktiivsete komponentide õige paigutus plaadil on otsustava tähtsusega tegur, et vältida kuumade punktide teket, tagades seeläbi soojuse võimalikult ühtlase jaotumise kogu plaadi ulatuses. Sellega seoses ei tohiks aktiivseid komponente PCB ümber jaotada kindlas järjekorras, et vältida kuumade kohtade teket konkreetses piirkonnas. Siiski on parem vältida aktiivsete komponentide paigutamist, mis toodavad märkimisväärsel hulgal soojust plaadi servade lähedale. Vastupidi, need peaksid asuma plaadi keskkohale võimalikult lähedal, soodustades ühtlast soojusjaotust. Kui suure võimsusega seade on paigaldatud plaadi serva lähedale, kogub see servale soojust, mis suurendab kohalikku temperatuuri. Kui see aga asetada plaadi keskkoha lähedale, hajub soojus pinnal igas suunas, vähendades temperatuuri ja hajutades soojust kergemini. Toiteseadmeid ei tohi asetada tundlike komponentide lähedusse ja need peavad olema üksteisest õigel kaugusel.
PCB substraadi valik:
Madala soojusjuhtivuse tõttu – vahemikus {{0}},2 kuni 0,5 W/mK – ei sobi FR-4 üldiselt rakendustesse, kus on vaja hajutada palju soojust. Suure võimsusega ahelates kogunev soojus on märkimisväärne, millele lisandub asjaolu, et need süsteemid töötavad sageli karmides keskkondades ja äärmuslikes temperatuurides. Alternatiivse kõrgema soojusjuhtivusega alusmaterjali kasutamine võib olla parem valik kui traditsioonilise FR-4 kasutamine.
Näiteks keraamilised materjalid pakuvad olulisi eeliseid suure võimsusega PCBde soojusjuhtimisel. Lisaks paranenud soojusjuhtivusele pakuvad need materjalid suurepäraseid mehaanilisi omadusi, mis aitavad kompenseerida korduva soojustsükli ajal kogunenud pinget. Lisaks on keraamilistel materjalidel väiksemad dielektrilised kaod, mis töötavad sagedustel kuni 10 GHz. Kõrgemate sageduste jaoks on alati võimalik valida hübriidmaterjalid (näiteks PTFE), mis pakuvad sama madalaid kadusid ja soojusjuhtivuse tagasihoidlikku vähenemist.
Mida suurem on materjali soojusjuhtivus, seda kiirem on soojusülekanne. Sellest järeldub, et metallid nagu alumiinium, lisaks keraamikast kergemale, pakuvad suurepärast lahendust soojuse ülekandmiseks komponentidest eemale. Alumiinium on eriti hea juht, suurepärase vastupidavusega, taaskasutatav ja mittetoksiline. Tänu kõrgele soojusjuhtivusele aitavad metallikihid soojust kiiresti üle kanda kogu plaadi ulatuses. Mõned tootjad pakuvad ka metalliga kaetud PCB-sid, mille mõlemad väliskihid on kaetud metalliga, tavaliselt alumiiniumist või tsingitud vasest. Kaaluühiku maksumuse seisukohast on alumiinium parim valik, vask aga pakub kõrgemat soojusjuhtivust. Alumiiniumi kasutatakse laialdaselt suure võimsusega LED-e toetavate PCB-de ehitamiseks (näide on toodud joonisel 2), kus see on eriti kasulik ka selle võime tõttu, et see peegeldab valgust substraadist eemale.
Metallist PCB-sid, mida tuntakse ka isoleerivate metallsubstraatidena (IMS), saab lamineerida otse PCB-sse, mille tulemuseks on FR-4-substraatide ja metallsüdamikuga plaat, millel on ühe- ja kahekihiline tehnoloogia koos sügavuskontrolliga, mille ülesandeks on soojuse ülekandmine pardakomponentidelt ja vähem kriitilistesse piirkondadesse. IMS PCB-des lamineeritakse metallaluse ja vaskfooliumi vahele õhuke kiht soojust juhtivat, kuid elektrit isoleerivat dielektrikat. Vaskfoolium söövitatakse soovitud vooluringi mustrisse ja metallalus neelab sellest ahelast soojust läbi õhukese dielektriku.
IMS-i PCB-de peamised eelised on järgmised:
1. Soojuse hajumine on oluliselt suurem kui standardsetel FR-4 konstruktsioonidel.
2. Dielektrikud on tavaliselt 5× kuni 10× soojusjuhtivamad kui tavaline epoksiidklaas.
3. Soojusülekanne on eksponentsiaalselt tõhusam kui tavalisel PCB-l.
4. Lisaks LED-tehnoloogiale (valgustatud sildid, ekraanid ja valgustus) kasutatakse IMS-i trükkplaate laialdaselt autotööstuses (esituled, mootori juhtimine ja roolivõimendi), jõuelektroonikas (alalisvoolutoiteallikas, inverterid ja mootori juhtimine). , lülitites ja pooljuhtreleedes.
