Ολόκληρη η βιομηχανία ηλεκτρονικών ισχύος, συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών ραδιοσυχνοτήτων και των συστημάτων που περιλαμβάνουν σήματα υψηλής ταχύτητας, κινείται προς λύσεις που παρέχουν όλο και πιο περίπλοκη λειτουργικότητα σε ολοένα και μικρότερους χώρους. Οι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν ολοένα και πιο απαιτητικές προκλήσεις όσον αφορά την ικανοποίηση των απαιτήσεων μεγέθους συστήματος, βάρους και ισχύος, συμπεριλαμβανομένης της αποτελεσματικής διαχείρισης θερμότητας, η οποία με τη σειρά της ξεκινά με το σχεδιασμό του PCB.
Οι συσκευές ενεργού ισχύος υψηλής ενσωμάτωσης (π.χ. τρανζίστορ MOSFET) εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας, απαιτώντας PCB που μπορούν να μεταφέρουν θερμότητα από τα πιο καυτά εξαρτήματα στο έδαφος ή στην επιφάνεια της ψύκτρας για να λειτουργήσουν όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά. Η θερμική καταπόνηση είναι μία από τις κύριες αιτίες βλάβης της συσκευής ισχύος, καθώς μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση της απόδοσης και μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε αστοχία ή δυσλειτουργία του συστήματος. Η ταχεία αύξηση της πυκνότητας ισχύος της συσκευής και η αυξανόμενη συχνότητα είναι οι κύριες αιτίες υπερθέρμανσης στα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Ενώ οι ημιαγωγοί με μικρότερη απώλεια ισχύος και καλύτερη θερμική αγωγιμότητα, όπως υλικά ευρείας ζώνης, χρησιμοποιούνται όλο και πιο εκτενώς, δεν επαρκούν από μόνοι τους για να εξαλείψουν την ανάγκη για αποτελεσματική θερμική διαχείριση.
Οι τρέχουσες συσκευές ισχύος με βάση το πυρίτιο μπορούν να επιτευχθούν σε θερμοκρασίες διασταύρωσης μεταξύ περίπου 125 μοιρών και 200 μοιρών. Ωστόσο, είναι επιθυμητό να επιτρέπεται πάντα η λειτουργία της συσκευής χωρίς υπέρβαση αυτής της περιοριστικής συνθήκης, αποφεύγοντας έτσι την ταχεία γήρανση της συσκευής και μειώνοντας τη διάρκεια ζωής της που απομένει. Στην πραγματικότητα, εκτιμάται ότι εάν η ακατάλληλη θερμική διαχείριση οδηγήσει σε αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας κατά 20 βαθμούς, η προκύπτουσα μείωση στην υπολειπόμενη διάρκεια ζωής του εξαρτήματος θα είναι έως και 50 τοις εκατό .
Διάταξη Καλωδίωση (διάταξη) Μεθοδολογία
Μια κοινή μέθοδος θερμικής διαχείρισης που χρησιμοποιείται σε πολλά έργα είναι η χρήση ενός τυπικού υποστρώματος επιβραδυντικού φλόγας κατηγορίας 4 (FR-4), το οποίο είναι ένα φθηνό και εύκολο στην επεξεργασία υλικό που εστιάζει στη θερμική βελτιστοποίηση της διάταξης του κυκλώματος.
Τα κύρια μέτρα που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν την παροχή πρόσθετων χάλκινων επιφανειών, τη χρήση παχύτερων ευθυγραμμίσεων και την εισαγωγή ψυκτών θερμότητας κάτω από τα εξαρτήματα που παράγουν τη μεγαλύτερη θερμότητα. Μια πιο ριζική τεχνική για τη διάχυση περισσότερης θερμότητας περιλαμβάνει την εισαγωγή ή την εφαρμογή ενός πραγματικού χάλκινου μπλοκ στο PCB ή στο εξωτερικό στρώμα, το οποίο έχει συνήθως σχήμα νομίσματος, εξ ου και η ονομασία "χάλκινο νόμισμα". Μετά την ξεχωριστή επεξεργασία του χάλκινου νομίσματος, μπορεί να συγκολληθεί ή να συνδεθεί απευθείας στο PCB ή μπορεί να εισαχθεί στο εσωτερικό στρώμα και να συνδεθεί με το εξωτερικό στρώμα μέσω της ψύκτρας. Το PCB που φαίνεται στο Σχήμα 1 είναι κατασκευασμένο σε ειδική κοιλότητα για να χωράει ένα χάλκινο νόμισμα.
Ο χαλκός έχει θερμική αγωγιμότητα 380 W/mK, σε σύγκριση με 225 W/mK για το αλουμίνιο και 0,3 W/mK για το FR-4. Ο χαλκός είναι ένα σχετικά φθηνό μέταλλο που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην κατασκευή PCB. Ως εκ τούτου, είναι ιδανικό για την κατασκευή χάλκινων νομισμάτων, οπών ψύκτρας και στρώσεων εδάφους - όλες οι λύσεις που βελτιώνουν την απαγωγή θερμότητας.
Η σωστή τοποθέτηση των ενεργών συσκευών στην πλακέτα είναι βασικός παράγοντας για την αποφυγή δημιουργίας καυτών σημείων, διασφαλίζοντας έτσι ότι η θερμότητα κατανέμεται όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα σε όλη την πλακέτα. Από αυτή την άποψη, οι ενεργές συσκευές θα πρέπει να κατανέμονται γύρω από το PCB χωρίς ιδιαίτερη σειρά, αποφεύγοντας έτσι τον σχηματισμό καυτών σημείων σε συγκεκριμένες περιοχές. Ωστόσο, είναι καλύτερο να αποφύγετε την τοποθέτηση ενεργών συσκευών που παράγουν πολλή θερμότητα κοντά στην άκρη της πλακέτας. Αντίθετα, θα πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στο κέντρο της σανίδας, διευκολύνοντας έτσι την ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας. Εάν εγκατασταθούν συσκευές υψηλής ισχύος κοντά στην άκρη της πλακέτας, θα συσσωρεύσουν θερμότητα στην άκρη, αυξάνοντας έτσι την τοπική θερμοκρασία. Από την άλλη πλευρά, εάν τοποθετηθούν κοντά στο κέντρο της σανίδας, η θερμότητα θα κατανεμηθεί προς όλες τις κατευθύνσεις κατά μήκος της επιφάνειας, διευκολύνοντας τη μείωση της θερμοκρασίας και την ευκολότερη διανομή της θερμότητας. Οι συσκευές τροφοδοσίας δεν πρέπει να τοποθετούνται κοντά σε ευαίσθητα εξαρτήματα και πρέπει να βρίσκονται σε σωστή απόσταση μεταξύ τους.
Τα μέτρα που λαμβάνονται σε επίπεδο διάταξης μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω χρησιμοποιώντας συστήματα ενεργητικής ψύξης και παθητικής ψύξης (όπως ψύκτρες ή ανεμιστήρες) - τέτοια συστήματα μπορούν να αφαιρέσουν τη θερμότητα από τις ενεργές συσκευές, αντί να την εκπέμπουν απευθείας στην πλακέτα. Γενικά, οι σχεδιαστές πρέπει να βρουν τον σωστό συμβιβασμό μεταξύ διαφορετικών στρατηγικών διαχείρισης θερμότητας, ανάλογα με τις απαιτήσεις της συγκεκριμένης εφαρμογής και τον διαθέσιμο προϋπολογισμό.
Επιλογή υποστρώματος PCB
Το FR{{0}} δεν είναι συνήθως κατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν τη διάχυση μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας λόγω της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητάς του (μεταξύ 0,2 και 0,5 W/mK). Η θερμότητα που παράγεται σε κυκλώματα υψηλής ισχύος μπορεί να είναι σημαντική και αυτά τα συστήματα λειτουργούν συχνά σε σκληρά περιβάλλοντα και ακραίες θερμοκρασίες. Η χρήση ενός εναλλακτικού υλικού υποστρώματος με υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα μπορεί να είναι καλύτερη επιλογή από τη χρήση παραδοσιακού FR-4.
Τα κεραμικά υλικά, για παράδειγμα, προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα για τη θερμική διαχείριση των PCB υψηλής ισχύος. Τέτοια υλικά, εκτός από τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας, έχουν επίσης εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και έτσι συμβάλλουν στην αντιστάθμιση των τάσεων που συσσωρεύονται κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων θερμικών κύκλων. Επιπλέον, τα κεραμικά υλικά έχουν χαμηλή διηλεκτρική απώλεια σε συχνότητες έως και 10 GHz. Για υψηλότερες συχνότητες, είναι πάντα δυνατή η επιλογή υβριδικών υλικών (π.χ. PTFE), που παρέχουν τις ίδιες χαμηλές απώλειες αλλά με μέτρια μείωση της θερμικής αγωγιμότητας.
Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα του υλικού, τόσο πιο γρήγορη είναι η μεταφορά θερμότητας. Έτσι, εκτός από ελαφρύτερα από τα κεραμικά, τα μέταλλα όπως το αλουμίνιο προσφέρουν μια εξαιρετική λύση για τη μεταφορά θερμότητας μακριά από τα εξαρτήματα. Ειδικά το αλουμίνιο είναι επίσης εξαιρετικός αγωγός, έχει εξαιρετική αντοχή, είναι ανακυκλώσιμο και δεν είναι τοξικό. Λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητάς του, το μεταλλικό στρώμα βοηθά στη γρήγορη μεταφορά θερμότητας σε όλη την πλακέτα. Ορισμένοι κατασκευαστές προσφέρουν επίσης PCB με επένδυση μετάλλου, όπου και τα δύο εξωτερικά στρώματα είναι επικαλυμμένα με μέταλλο, συνήθως από αλουμίνιο ή γαλβανισμένο χαλκό. Το αλουμίνιο είναι η καλύτερη επιλογή από την άποψη του κόστους ανά βάρος, ενώ ο χαλκός έχει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται επίσης ευρέως για την κατασκευή PCB που υποστηρίζουν LED υψηλής ισχύος (όπως φαίνεται στο παράδειγμα στο σχήμα 2), όπου η ικανότητά του να ανακλά το φως μακριά από το υπόστρωμα είναι επίσης ιδιαίτερα χρήσιμη.
Ακόμη και το ασήμι, λόγω της θερμικής του αγωγιμότητας που είναι περίπου 5 τοις εκατό υψηλότερη από τον χαλκό, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ευθυγραμμίσεων, διόδων, μαξιλαριών και μεταλλικών στρωμάτων. Επιπλέον, εάν η πλακέτα χρησιμοποιείται σε υγρό περιβάλλον όπου υπάρχουν τοξικά αέρια, η χρήση ασημένιων φινιρισμάτων σε γυμνές χάλκινες ευθυγραμμίσεις και χάλκινα μαξιλαράκια συγκόλλησης θα βοηθήσει στην πρόληψη της διάβρωσης - μια τυπική απειλή που είναι γνωστή σε τέτοια περιβάλλοντα.
Τα μεταλλικά PCB, γνωστά και ως μονωμένα μεταλλικά υποστρώματα (IMS), μπορούν να πλαστικοποιηθούν απευθείας στο PCB για να σχηματίσουν σανίδες με υποστρώματα FR-4 και μεταλλικούς πυρήνες. Χρησιμοποιούνται τεχνολογίες μονής και διπλής στρώσης, με καλωδίωση ελεγχόμενου βάθους, όπου η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί από τα ενσωματωμένα εξαρτήματα σε λιγότερο κρίσιμες περιοχές. Στα PCB IMS, ένα λεπτό στρώμα θερμικά αγώγιμου αλλά ηλεκτρικά μονωτικού διηλεκτρικού πλαστικοποιείται μεταξύ ενός μεταλλικού υποστρώματος και ενός φύλλου χαλκού. Το φύλλο χαλκού χαράσσεται στο επιθυμητό σχέδιο κυκλώματος και το μεταλλικό υπόστρωμα απορροφά θερμότητα από το κύκλωμα μέσω αυτού του λεπτού διηλεκτρικού.
Τα κύρια πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα PCB IMS είναι τα εξής.
-Σημαντικά υψηλότερη απαγωγή θερμότητας από τις τυπικές κατασκευές FR-4.
-Η θερμική αγωγιμότητα του διηλεκτρικού είναι συνήθως 5 έως 10 φορές υψηλότερη από αυτή του συνηθισμένου εποξειδικού γυαλιού.
-Η απόδοση της μεταφοράς θερμότητας είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών PCB.
Εκτός από την τεχνολογία LED (φωτιζόμενες πινακίδες, οθόνες και φωτισμός), τα PCB IMS χρησιμοποιούνται ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία (προβολείς, χειριστήρια κινητήρα και υδραυλικό τιμόνι), ηλεκτρονικά ισχύος (τροφοδοτικά DC, μετατροπείς και χειριστήρια κινητήρα), διακόπτες και ρελέ ημιαγωγών .