Ett tillvägagångssätt för termisk hantering av högeffekts-PCB
Designers möter komplexa problem när de uppfyller strömkraven, som inkluderar effektiv värmehantering, med början i PCB-designen.
Hela den kraftelektroniska sektorn, inklusive RF-applikationer och system som involverar höghastighetssignaler, utvecklas mot lösningar som erbjuder allt mer komplexa funktioner i allt mindre utrymmen. Designers står inför allt mer krävande utmaningar för att möta kraven på systemstorlek, vikt och effekt, vilket inkluderar effektiv termisk hantering, från och med designen av kretskortet.
Aktiva kraftenheter med hög integrationstäthet, såsom MOSFET-transistorer, kan avleda en betydande mängd värme och kräver därför PCB:er som kan överföra värme från de hetaste komponenterna till jordplan eller värmeavledande ytor, som fungerar så effektivt och effektivt som möjligt. Termisk stress är en av huvudorsakerna till funktionsfel på kraftenheter, eftersom det leder till en försämring av prestanda eller till och med ett eventuellt fel eller fel i systemet. Den snabba tillväxten av enheters effekttäthet och den konstanta ökningen av frekvenser är de främsta orsakerna som orsakar överdriven uppvärmning av elektroniska komponenter. Den allt mer utbredda användningen av halvledare med minskade effektförluster och bättre värmeledningsförmåga, såsom material med breda bandgap, är inte i sig tillräckligt för att eliminera behovet av effektiv värmehantering.
Nuvarande kiselbaserade kraftenheter uppnår en kopplingstemperatur mellan cirka 125˚C och 200˚C. Det är dock alltid att föredra att låta enheten arbeta under denna gräns, eftersom detta skulle leda till en snabb nedbrytning av densamma och en minskning av dess återstående livslängd. Faktum är att det har uppskattats att en ökning med 20˚C i driftstemperaturen, orsakad av felaktig värmehantering, kan minska komponenternas restlivslängd med upp till 50 procent.
Layout tillvägagångssätt:
Ett tillvägagångssätt för termisk hantering som vanligtvis följs i många projekt är att använda substrat med standard Flame Retardant Level 4 (FR-4), ett billigt och lättarbetat material, med fokus på termisk optimering av kretslayouten.
De viktigaste antagna åtgärderna gäller tillhandahållandet av ytterligare kopparytor, användningen av spår med större tjocklek och införandet av termisk via under de komponenter som genererar den största mängden värme. En mer aggressiv teknik, som kan avleda en större mängd värme, innebär att man sätter in i PCB eller applicerar på de yttersta lagren riktiga kopparblock, vanligtvis i form av ett mynt (därav namnet "kopparmynt"). Kopparmynten bearbetas separat och löds sedan eller fästs direkt på kretskortet, eller så kan de sättas in i de inre skikten och kopplas till de yttre skikten genom termiska vior. Figur 1 visar ett kretskort där ett speciellt hålrum har gjorts för att hysa ett kopparmynt.
Koppar har en värmeledningskoefficient på 380 W/mK, jämfört med 225 W/mK för aluminium och till 0,3 W/mK för FR-4. Koppar är en relativt billig metall och används redan i stor utsträckning vid PCB-tillverkning; därför är det det idealiska valet för att tillverka kopparmynt, termiska vior och jordplan, alla lösningar som kan förbättra värmeavledning.
Korrekt placering av de aktiva komponenterna på brädet är en avgörande faktor för att förhindra bildning av heta fläckar, vilket säkerställer att värmen fördelas så jämnt som möjligt längs hela brädet. I detta avseende bör de aktiva komponenterna fördelas i ingen speciell ordning runt PCB:n för att undvika bildning av hot spots i ett specifikt område. Det är dock bättre att undvika att placera aktiva komponenter som genererar en betydande mängd värme nära kortets kanter. Omvänt bör de placeras så nära mitten av brädan som möjligt, vilket gynnar en jämn värmefördelning. Om en högeffektsenhet monteras nära kanten av kortet, kommer den att bygga upp värme på kanten, vilket ökar den lokala temperaturen. Om den däremot placeras nära mitten av brädet kommer värmen att försvinna på ytan i alla riktningar, vilket minskar temperaturen och leder bort värmen lättare. Strömenheter bör inte placeras nära känsliga komponenter och bör placeras på rätt avstånd från varandra.
Val av PCB-substrat:
På grund av sin låga värmeledningsförmåga — mellan {{0}}.2 och 0,5 W/mK — är FR-4 i allmänhet inte lämplig för tillämpningar där en stor mängd värme behöver avledas. Värmen som kan byggas upp i högeffektskretsar är avsevärd, förstärkt av det faktum att dessa system ofta fungerar i tuffa miljöer och extrema temperaturer. Att använda ett alternativt substratmaterial med högre värmeledningsförmåga kan vara ett bättre val än att använda den traditionella FR-4.
Keramiska material erbjuder till exempel betydande fördelar för termisk hantering av högeffekts-PCB. Förutom förbättrad värmeledningsförmåga erbjuder dessa material utmärkta mekaniska egenskaper som hjälper till att kompensera för den påfrestning som ackumuleras under upprepade värmecykler. Dessutom har keramiska material lägre dielektriska förluster som arbetar vid frekvenser upp till 10 GHz. För högre frekvenser är det alltid möjligt att välja hybridmaterial (som PTFE), som erbjuder lika låga förluster med en blygsam minskning av värmeledningsförmågan.
Ju högre värmeledningsförmåga ett material har, desto snabbare går värmeöverföringen. Av detta följer att metaller som aluminium, förutom att vara lättare än keramik, erbjuder en utmärkt lösning för att överföra värme från komponenter. Aluminium är särskilt en utmärkt ledare, har utmärkt hållbarhet, är återvinningsbart och är giftfritt. Tack vare sin höga värmeledningsförmåga hjälper metallskikten till att snabbt överföra värme genom hela brädan. Vissa tillverkare erbjuder också metallklädda PCB, där båda yttre skikten är metallklädda, vanligtvis aluminium eller galvaniserad koppar. Ur kostnad per viktenhetssynpunkt är aluminium det bästa valet, medan koppar ger högre värmeledningsförmåga. Aluminium används i stor utsträckning för konstruktion av PCB som stöder högeffekts-LED (ett exempel visas i figur 2), där det också är särskilt användbart för dess förmåga att reflektera ljuset bort från substratet.
Metall-PCB, även känd som isolerande metallsubstrat (IMS), kan lamineras direkt in i kretskortet, vilket resulterar i ett kort med FR-4-substrat och metallkärna med enkelskikts- och dubbelskiktsteknik med djupstyrningsvägledning, som tjänar till att överföra värme från komponenterna ombord och till mindre kritiska områden. I IMS PCB lamineras ett tunt lager av termiskt ledande men elektriskt isolerande dielektrikum mellan en metallbas och en kopparfolie. Kopparfolien etsas in i det önskade kretsmönstret och metallbasen absorberar värme från denna krets genom det tunna dielektrikumet.
De främsta fördelarna med IMS PCB är följande:
1. Värmeavledning är betydligt högre än standard FR-4 coinstruktioner.
2. Dielektriken är typiskt 5× till 10× mer värmeledande än normalt epoxiglas.
3. Termisk överföring är exponentiellt mer effektiv än i ett konventionellt PCB.
4. Förutom LED-teknik (upplysta skyltar, displayer och belysning) används IMS-kretskort i stor utsträckning inom bilindustrin (strålkastare, motorstyrning och servostyrning), inom kraftelektronik (likströmsförsörjning, växelriktare och motorstyrning) , i switchar och i halvledarreläer.
