Lähestymistapa suuritehoisten piirilevyjen lämmönhallintaan

   Suunnittelijat kohtaavat monimutkaisia ​​ongelmia täyttäessään tehovaatimukset, joihin kuuluu tehokas lämmönhallinta piirilevyn suunnittelusta alkaen.

     Koko tehoelektroniikkasektori, mukaan lukien RF-sovellukset ja nopeita signaaleja käyttävät järjestelmät, on kehittymässä kohti ratkaisuja, jotka tarjoavat yhä monimutkaisempia toimintoja yhä pienempiin tiloihin. Suunnittelijat kohtaavat yhä vaativampia haasteita täyttääkseen järjestelmän koko-, paino- ja tehovaatimukset, joihin kuuluu tehokas lämmönhallinta piirilevyn suunnittelusta alkaen.

  Korkean integrointitiheyden aktiiviteholaitteet, kuten MOSFET-transistorit, voivat haihduttaa huomattavan määrän lämpöä ja vaativat siksi piirilevyjä, jotka voivat siirtää lämpöä kuumimmista komponenteista maatasoille tai lämpöä hajauttaville pinnoille toimien mahdollisimman tehokkaasti ja tehokkaasti. Lämpöjännitys on yksi tärkeimmistä teholaitteiden toimintahäiriöiden syistä, koska se johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen tai jopa järjestelmän mahdolliseen toimintahäiriöön tai vikaan. Laitteiden tehotiheyden nopea kasvu ja jatkuva taajuuksien nousu ovat tärkeimmät syyt, jotka aiheuttavat elektronisten komponenttien liiallista kuumenemista. Pienemmillä tehohäviöillä ja paremmalla lämmönjohtavuudella varustettujen puolijohteiden, kuten laajakaistaisten materiaalien, lisääntyvä käyttö ei sinänsä riitä poistamaan tehokkaan lämmönhallinnan tarvetta.

    Nykyiset piipohjaiset teholaitteet saavuttavat liitoslämpötilan välillä noin 125˚C ja 200˚C. On kuitenkin aina suositeltavaa saada laite toimimaan tämän rajan alapuolella, koska tämä johtaisi sen nopeaan huononemiseen ja sen jäljellä olevan käyttöiän lyhenemiseen. Itse asiassa on arvioitu, että 20 ˚C käyttölämpötilan nousu, joka johtuu väärästä lämmönhallinnasta, voi lyhentää komponenttien jäljellä olevaa käyttöikää jopa 50 prosenttia.

Asettelutapa:

  Monissa projekteissa yleisesti noudatettu lähestymistapa lämmönhallintaan on käyttää substraatteja, joissa on standardi Flame Retardant Level 4 (FR-4), edullinen ja helposti työstettävä materiaali, ja siinä keskitytään piiriasettelun lämpöoptimointiin.

Tärkeimmät toteutetut toimenpiteet koskevat kuparilisäpintojen hankkimista, paksumpien jälkien käyttöä ja lämpöläpiviennin lisäämistä eniten lämpöä tuottavien komponenttien alle. Aggressiivisempi tekniikka, joka pystyy haihduttamaan suuremman määrän lämpöä, sisältää todellisten, tyypillisesti kolikon muotoisten kuparilohkojen työntämisen piirilevyyn tai levittämistä uloimmille kerroksille (tästä syystä nimi "kuparikolikot"). Kuparikolikot käsitellään erikseen ja sitten juotetaan tai kiinnitetään suoraan piirilevyyn, tai ne voidaan työntää sisäkerroksiin ja liittää ulkokerroksiin lämpöreikien kautta. Kuvassa 1 on piirilevy, johon on tehty erityinen onkalo kuparikolikkoa varten.

  Kuparin lämmönjohtavuuskerroin on 380 W/mK verrattuna alumiinin 225 W/mK ja FR-4 0,3 W/mK. Kupari on suhteellisen halpa metalli ja sitä käytetään jo laajalti piirilevyjen valmistuksessa; Siksi se on ihanteellinen valinta kuparikolikoiden, lämpöläpivientien ja maatasojen valmistamiseen, kaikki ratkaisut, jotka pystyvät parantamaan lämmönpoistoa.

   Aktiivisten komponenttien oikea sijoittaminen levylle on ratkaiseva tekijä kuumapisteiden muodostumisen estämisessä, jolloin varmistetaan, että lämpö jakautuu mahdollisimman tasaisesti koko levylle. Tässä suhteessa aktiivisia komponentteja ei tulisi jakaa tietyssä järjestyksessä piirilevyn ympärille, jotta vältetään kuumien pisteiden muodostuminen tietylle alueelle. On kuitenkin parempi välttää sijoittamasta aktiivisia komponentteja, jotka tuottavat huomattavan määrän lämpöä lähellä levyn reunoja. Sitä vastoin ne tulisi sijoittaa mahdollisimman lähelle levyn keskustaa, mikä suosii tasaista lämmönjakoa. Jos suuritehoinen laite asennetaan lähelle levyn reunaa, se kerää lämpöä reunaan ja nostaa paikallista lämpötilaa. Jos se toisaalta sijoitetaan lähelle laudan keskustaa, lämpö haihtuu pinnalle kaikkiin suuntiin, mikä laskee lämpötilaa ja hajauttaa lämpöä helpommin. Virtalaitteita ei saa sijoittaa herkkien osien lähelle, ja niiden tulee olla riittävän kaukana toisistaan.

PCB-substraatin valinta:

Alhaisen lämmönjohtavuutensa vuoksi — välillä {{0}},2 - 0,5 W/mK — FR-4 ei yleensä sovellu sovelluksiin, joissa on johdettava suuri määrä lämpöä. Suuritehoisiin piireihin voi kertyä huomattavaa lämpöä, ja sitä pahentaa se, että nämä järjestelmät toimivat usein ankarissa ympäristöissä ja äärimmäisissä lämpötiloissa. Vaihtoehtoisen, korkeamman lämmönjohtavuuden omaavan substraattimateriaalin käyttö voi olla parempi valinta kuin perinteisen FR-4 käyttö.

    Esimerkiksi keraamiset materiaalit tarjoavat merkittäviä etuja suuritehoisten piirilevyjen lämmönhallinnassa. Paremman lämmönjohtavuuden lisäksi näillä materiaaleilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, jotka auttavat kompensoimaan toistuvan lämpösyklin aikana kertyvää rasitusta. Lisäksi keraamisilla materiaaleilla on pienemmät dielektriset häviöt toimiessaan jopa 10 GHz:n taajuuksilla. Korkeammille taajuuksille on aina mahdollista valita hybridimateriaaleja (kuten PTFE), jotka tarjoavat yhtä alhaiset häviöt ja vaatimattoman lämmönjohtavuuden alenemisen.

Mitä korkeampi materiaalin lämmönjohtavuus, sitä nopeampi lämmönsiirto. Tästä seuraa, että metallit, kuten alumiini, tarjoavat sen lisäksi, että ovat kevyempiä kuin keramiikka, mutta ne tarjoavat erinomaisen ratkaisun lämmön siirtämiseen pois komponenteista. Erityisesti alumiini on erinomainen johdin, sillä on erinomainen kestävyys, se on kierrätettävää ja myrkytöntä. Korkean lämmönjohtavuutensa ansiosta metallikerrokset auttavat siirtämään lämpöä nopeasti läpi levyn. Jotkut valmistajat tarjoavat myös metallipäällysteisiä piirilevyjä, joissa molemmat ulkokerrokset ovat metallipäällysteisiä, tyypillisesti alumiinia tai galvanoitua kuparia. Painoyksikkökustannusten kannalta alumiini on paras valinta, kun taas kupari tarjoaa paremman lämmönjohtavuuden. Alumiinia käytetään laajalti suuritehoisia LEDejä tukevien piirilevyjen rakentamiseen (esimerkki on esitetty kuvassa 2), jossa se on myös erityisen hyödyllinen sen kyvyn vuoksi heijastaa valoa pois substraatista.

   Metalliset PCB-levyt, jotka tunnetaan myös nimellä eristävät metallisubstraatit (IMS), voidaan laminoida suoraan piirilevyyn, jolloin tuloksena on levy, jossa on FR-4-substraatteja ja metalliydin, jossa on yksi- ja kaksikerroksinen tekniikka ja syvyyssäätöinen reititys. joka siirtää lämpöä pois koneen komponenteista ja vähemmän kriittisille alueille. IMS-piirilevyissä ohut kerros lämpöä johtavaa, mutta sähköä eristävää dielektristä materiaalia laminoidaan metallipohjan ja kuparikalvon väliin. Kuparifolio syövytetään haluttuun piirikuvioon ja metallipohja imee lämpöä tästä piiristä ohuen eristeen läpi.

IMS-piirilevyjen tärkeimmät edut ovat seuraavat:

1. Lämmön hajoaminen on huomattavasti korkeampi kuin standardi FR-4 coohjeita.

2. Eristeet ovat tyypillisesti 5-10 kertaa lämpöä johtavampia kuin tavallinen epoksilasi.

3. Lämmönsiirto on eksponentiaalisesti tehokkaampaa kuin perinteisessä piirilevyssä.

4. LED-tekniikan (valaistut kyltit, näytöt ja valaistus) lisäksi IMS-piirilevyjä käytetään laajalti autoteollisuudessa (ajovalot, moottorin ohjaus ja ohjaustehostin), tehoelektroniikassa (tasavirtalähde, invertterit ja moottorin ohjaus) , kytkimissä ja puolijohdereleissä.