Didelės galios PCB šiluminis valdymas

Dizaineriai susiduria su sudėtingomis problemomis, siekdami patenkinti galios reikalavimus, įskaitant efektyvų šilumos valdymą, pradedant PCB dizainu. Visas elektros energijos sektorius, įskaitant RF programas ir sistemas, kuriose naudojami didelės spartos signalai, vystosi link sprendimų, siūlančių vis sudėtingesnes funkcijas. - mažesnės erdvės. Dizaineriai susiduria su vis sudėtingesniais iššūkiais, kad atitiktų sistemos dydžio, svorio ir galios reikalavimus, įskaitant efektyvų šilumos valdymą, pradedant nuo spausdintinės plokštės dizaino.

Didelio integravimo tankio aktyviosios galios įrenginiai, tokie kaip MOSFET tranzistoriai, gali išsklaidyti didelį šilumos kiekį, todėl jiems reikia PCB, kurie gali perduoti šilumą iš karščiausių komponentų į įžeminimo plokštes arba šilumą išsklaidžiusius paviršius, veikdami kuo efektyviau ir efektyviau. Šiluminis įtempis yra viena iš pagrindinių maitinimo įrenginių gedimo priežasčių, nes dėl to pablogėja jų veikimas arba netgi gali sutrikti sistemos veikimas ar gedimas. Spartus įrenginių galios tankio augimas ir nuolatinis dažnių augimas yra pagrindinės priežastys, lemiančios pernelyg didelį elektroninių komponentų įkaitimą. Vis plačiau naudojami puslaidininkiai su mažesniais galios nuostoliais ir geresniu šilumos laidumu, pavyzdžiui, plačios juostos medžiagos, savaime nepakanka, kad būtų pašalintas veiksmingo šilumos valdymo poreikis.

Dabartiniai silicio maitinimo įrenginiai pasiekia jungties temperatūrą nuo maždaug 125 ˚C iki 200 ˚C. Tačiau visada pageidautina, kad prietaisas veiktų žemiau šios ribos, nes tai sukeltų greitą jo degradaciją ir sutrumpėtų jo likutinis tarnavimo laikas. Tiesą sakant, buvo apskaičiuota, kad 20 °C darbinės temperatūros padidėjimas dėl netinkamo šilumos valdymo gali sutrumpinti komponentų likutinį tarnavimo laiką iki 50 procentų.

Išdėstymo metodas:

Daugelyje projektų dažniausiai taikomas šilumos valdymo metodas – naudoti pagrindą su standartiniu 4 lygio antipirenu (FR-4), nebrangia ir lengvai apdirbama medžiaga, daugiausia dėmesio skiriant grandinės išdėstymo terminiam optimizavimui.

Pagrindinės priimtos priemonės yra susijusios su papildomų varinių paviršių įrengimu, didesnio storio pėdsakų naudojimu ir šilumos įterpimu po daugiausiai šilumos generuojančiais komponentais. Agresyvesnė technika, galinti išsklaidyti didesnį šilumos kiekį, apima tikro vario blokų, paprastai monetos formos, įterpimą į PCB arba ant atokiausių sluoksnių uždėjimą (iš čia ir vadinama „varinėmis monetomis“). Varinės monetos yra apdorojamos atskirai, o po to lituojamos arba pritvirtinamos tiesiai prie PCB, arba jas galima įterpti į vidinius sluoksnius ir sujungti su išoriniais sluoksniais per šilumines angas. 1 paveiksle parodyta PCB, kurioje buvo padaryta speciali ertmė varinei monetai laikyti.

Vario šilumos laidumo koeficientas yra 380 W/mK, palyginti su 225 W/mK aliuminio ir 0,3 W/mK FR-4. Varis yra palyginti pigus metalas ir jau plačiai naudojamas PCB gamyboje; todėl tai idealus pasirinkimas gaminant varines monetas, šilumines angas ir įžeminimo plokštes – visus sprendimus, galinčius pagerinti šilumos išsklaidymą.

Tinkamas aktyvių komponentų išdėstymas ant plokštės yra esminis veiksnys, neleidžiantis susidaryti karštoms dėmėms, taip užtikrinant, kad šiluma pasiskirstytų kuo tolygiau visoje plokštėje. Šiuo atžvilgiu aktyvieji komponentai neturėtų būti paskirstomi tam tikra tvarka aplink PCB, kad konkrečioje srityje nesusidarytų karštos vietos. Tačiau geriau nedėti aktyvių komponentų, kurie generuoja daug šilumos, šalia lentos kraštų. Ir atvirkščiai, jie turėtų būti išdėstyti kuo arčiau lentos centro, kad būtų užtikrintas tolygus šilumos paskirstymas. Jei šalia plokštės krašto yra sumontuotas didelės galios įrenginys, jis kaups šilumą ant krašto, padidindamas vietinę temperatūrą. Kita vertus, jei jis bus pastatytas šalia lentos centro, šiluma išsklaidys paviršių visomis kryptimis, sumažins temperatūrą ir lengviau išsklaidys šilumą. Maitinimo įrenginiai neturėtų būti dedami arti jautrių komponentų ir turi būti tinkamai išdėstyti vienas nuo kito.

PCB substrato pasirinkimas:

Dėl mažo šilumos laidumo – nuo ​​{{0}},2 iki 0,5 W/mK – FR-4 paprastai netinka naudoti, kai reikia išsklaidyti didelį šilumos kiekį. Šiluma, kuri gali kauptis didelės galios grandinėse, yra didelė, o tai dar labiau apsunkina tai, kad šios sistemos dažnai veikia atšiaurioje aplinkoje ir ekstremaliose temperatūrose. Naudoti alternatyvią pagrindo medžiagą su didesniu šilumos laidumu gali būti geresnis pasirinkimas nei naudojant tradicinį FR-4.

Pavyzdžiui, keraminės medžiagos suteikia didelių pranašumų valdant didelės galios PCB šiluminį valdymą. Be pagerinto šilumos laidumo, šios medžiagos pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis, kurios padeda kompensuoti pakartotinio terminio ciklo metu susikaupusią įtampą. Be to, keraminės medžiagos turi mažesnius dielektrinius nuostolius, veikiančius iki 10 GHz dažniais. Didesniems dažniams visada galima pasirinkti hibridines medžiagas (pvz., PTFE), kurios siūlo vienodai mažus nuostolius ir nežymiai sumažina šilumos laidumą.

Kuo didesnis medžiagos šilumos laidumas, tuo greitesnis šilumos perdavimas. Iš to išplaukia, kad metalai, tokie kaip aliuminis, ne tik yra lengvesni už keramiką, bet ir yra puikus sprendimas šilumai perduoti nuo komponentų. Ypač aliuminis yra puikus laidininkas, pasižymi puikiu patvarumu, yra perdirbamas ir netoksiškas. Dėl didelio šilumos laidumo metaliniai sluoksniai padeda greitai perduoti šilumą visoje plokštėje. Kai kurie gamintojai taip pat siūlo metalu dengtus PCB, kurių abu išoriniai sluoksniai yra padengti metalu, paprastai aliuminiu arba cinkuotu variu. Svorio vieneto kainos požiūriu aliuminis yra geriausias pasirinkimas, o varis pasižymi didesniu šilumos laidumu. Aliuminis plačiai naudojamas gaminant PCB, palaikančius didelės galios šviesos diodus (pavyzdys parodytas 2 paveiksle), kuriame jis taip pat ypač naudingas dėl gebėjimo atspindėti šviesą nuo pagrindo.

Metaliniai PCB, taip pat žinomi kaip izoliaciniai metaliniai pagrindai (IMS), gali būti laminuojami tiesiai į PCB, todėl plokštė su FR-4 substratais ir metaline šerdimi su vieno sluoksnio ir dviejų sluoksnių technologija su gylio valdymo maršrutizacija, kuri padeda perduoti šilumą nuo borto komponentų ir į mažiau svarbias sritis. IMS PCB tarp metalinio pagrindo ir varinės folijos laminuojamas plonas šilumai laidžio, bet elektrą izoliuojančio dielektriko sluoksnis. Vario folija yra išgraviruota į norimą grandinės modelį, o metalinis pagrindas sugeria šilumą iš šios grandinės per ploną dielektriką.

Pagrindiniai IMS PCB pranašumai yra šie:

1. Šilumos išsklaidymas yra žymiai didesnis nei standartinių FR-4 konstrukcijų.

2. Dielektrikai paprastai yra 5–10 kartų laidesni šilumai nei įprastas epoksidinis stiklas.

3. Šiluminis perdavimas yra eksponentiškai efektyvesnis nei įprastoje PCB.

4. Be LED technologijos (apšviestų ženklų, ekranų ir apšvietimo), IMS plokštės plačiai naudojamos automobilių pramonėje (priekiniai žibintai, variklio valdymas ir vairo stiprintuvas), galios elektronikoje (nuolatinės srovės maitinimas, inverteriai ir variklio valdymas). , jungikliuose ir puslaidininkinėse relėse.