Термоуправління потужних друкованих плат

Розробники стикаються зі складними проблемами, пов’язаними з вимогами до живлення, які включають ефективне управління температурою, починаючи з дизайну друкованої плати. Весь сектор силової електроніки, включаючи радіочастотні додатки та системи, що включають високошвидкісні сигнали, розвивається в напрямку рішень, які пропонують дедалі складніші функціональні можливості. - менші приміщення. Розробники стикаються з дедалі складнішими проблемами щодо відповідності вимогам до розміру, ваги та потужності системи, які включають ефективне управління температурою, починаючи з дизайну друкованої плати.

Пристрої активної потужності з високою щільністю інтеграції, такі як MOSFET-транзистори, можуть розсіювати значну кількість тепла і тому вимагають друкованих плат, які можуть передавати тепло від найгарячіших компонентів до заземлених поверхонь або поверхонь, що розсіюють тепло, працюючи настільки ефективно, наскільки це можливо. Термічна напруга є однією з основних причин несправності енергетичних пристроїв, оскільки вона призводить до погіршення продуктивності або навіть можливої ​​несправності або виходу з ладу системи. Швидке зростання питомої потужності пристроїв і постійне підвищення частот є основними причинами, що викликають надмірний нагрів електронних компонентів. Все більш широке використання напівпровідників зі зниженими втратами потужності та кращою теплопровідністю, таких як матеріали з широкою забороненою зоною, саме по собі недостатньо для усунення потреби в ефективному управлінні температурою.

Сучасні пристрої живлення на основі кремнію досягають температури з’єднання приблизно від 125˚C до 200˚C. Однак завжди краще, щоб пристрій працював нижче цього ліміту, оскільки це призведе до швидкого його погіршення та зменшення залишкового терміну служби. Насправді було підраховано, що підвищення робочої температури на 20˚C, викликане неправильним керуванням температурою, може скоротити залишковий термін служби компонентів до 50 відсотків.

Підхід до компонування:

Підхід до керування температурою, який зазвичай дотримується в багатьох проектах, полягає у використанні підкладок зі стандартним рівнем вогнестійкості 4 (FR-4), недорогого та легкого в застосуванні матеріалу, зосередженого на оптимізації теплової схеми схеми.

Основні прийняті заходи стосуються надання додаткових мідних поверхонь, використання слідів більшої товщини та введення теплових отворів під компоненти, які генерують найбільшу кількість тепла. Більш агресивна техніка, здатна розсіювати більшу кількість тепла, включає вставлення в друковану плату або нанесення на зовнішні шари справжніх мідних блоків, як правило, у формі монети (звідси назва «мідні монети»). Мідні монети обробляються окремо, а потім припаюються або прикріплюються безпосередньо до друкованої плати, або їх можна вставити у внутрішні шари та з’єднати з зовнішніми шарами через теплові отвори. На малюнку 1 зображено друковану плату, в якій зроблено спеціальну порожнину для розміщення мідної монети.

Коефіцієнт теплопровідності міді становить 380 Вт/мК, порівняно з 225 Вт/мК для алюмінію та 0,3 Вт/мК для FR-4. Мідь є відносно дешевим металом і вже широко використовується у виробництві друкованих плат; отже, це ідеальний вибір для виготовлення мідних монет, теплових отворів і площин заземлення, всі рішення здатні покращити розсіювання тепла.

Правильне розташування активних компонентів на платі є вирішальним фактором у запобіганні утворенню гарячих точок, таким чином забезпечуючи максимально рівномірний розподіл тепла по всій платі. У зв'язку з цим, активні компоненти повинні бути розподілені без певного порядку навколо друкованої плати, щоб уникнути утворення гарячих точок у певній області. Однак краще уникати розміщення активних компонентів, які виділяють значну кількість тепла, біля країв плати. Навпаки, вони повинні бути розташовані якомога ближче до центру дошки, сприяючи рівномірному розподілу тепла. Якщо пристрій високої потужності встановлено біля краю плати, він накопичуватиме тепло на краю, підвищуючи місцеву температуру. З іншого боку, якщо його розмістити поблизу центру дошки, тепло розсіюватиметься поверхнею в усіх напрямках, знижуючи температуру та легше розсіюючи тепло. Пристрої живлення не слід розміщувати близько до чутливих компонентів і розташовувати на належній відстані один від одного.

Вибір субстрату PCB:

Через низьку теплопровідність — від {{0}}.2 до 0,5 Вт/мК — FR-4 зазвичай не підходить для застосувань, у яких потрібно розсіювати велику кількість тепла. Тепло, яке може накопичуватися в потужних ланцюгах, є значним, що посилюється тим фактом, що ці системи часто працюють у суворих умовах і екстремальних температурах. Використання альтернативного матеріалу підкладки з вищою теплопровідністю може бути кращим вибором, ніж використання традиційного FR-4.

Керамічні матеріали, наприклад, пропонують значні переваги для управління температурою потужних друкованих плат. На додаток до покращеної теплопровідності, ці матеріали мають відмінні механічні властивості, які допомагають компенсувати напругу, накопичену під час багаторазових термічних циклів. Крім того, керамічні матеріали мають менші діелектричні втрати, що працюють на частотах до 10 ГГц. Для більш високих частот завжди можна вибрати гібридні матеріали (наприклад, PTFE), які пропонують однаково низькі втрати з помірним зниженням теплопровідності.

Чим вище теплопровідність матеріалу, тим швидше відбувається теплопередача. Звідси випливає, що такі метали, як алюміній, не тільки легші за кераміку, але й є чудовим рішенням для відведення тепла від компонентів. Зокрема, алюміній є чудовим провідником, має чудову довговічність, підлягає переробці та нетоксичний. Завдяки високій теплопровідності металеві шари допомагають швидко передавати тепло по всій дошці. Деякі виробники також пропонують друковані плати з металевим покриттям, у яких обидва зовнішні шари покриті металом, як правило, алюмінієм або оцинкованою міддю. З точки зору ціни на одиницю ваги, алюміній є найкращим вибором, тоді як мідь має вищу теплопровідність. Алюміній широко використовується для виготовлення друкованих плат, які підтримують потужні світлодіоди (приклад показано на малюнку 2), у яких він також особливо корисний завдяки своїй здатності відбивати світло від підкладки.

Металеві друковані плати, також відомі як ізоляційні металеві підкладки (IMS), можна ламінувати безпосередньо в друковану плату, у результаті чого виходить плата з підкладками FR-4 і металевим сердечником з одношаровою та двошаровою технологією з маршрутизацією контролю глибини, який служить для передачі тепла від бортових компонентів у менш критичні зони. У друкованих платах IMS тонкий шар теплопровідного, але електроізоляційного діелектрика ламінований між металевою основою та мідною фольгою. На мідній фользі вигравірувано потрібний малюнок схеми, а металева основа поглинає тепло від цієї схеми через тонкий діелектрик.

Основні переваги друкованих плат IMS наступні:

1. Тепловіддача значно вища, ніж у стандартних конструкцій FR-4.

2. Зазвичай діелектрики мають у 5-10 разів більше теплопровідності, ніж звичайне епоксидне скло.

3. Передача тепла експоненціально ефективніша, ніж у звичайній друкованій платі.

4. Окрім світлодіодних технологій (підсвічування, дисплеї та освітлення), друковані плати IMS широко використовуються в автомобільній промисловості (фари, керування двигуном та гідропідсилювач керма), у силовій електроніці (джерело живлення постійного струму, інвертори та керування двигуном) , в перемикачах і в напівпровідникових реле.