Termisk styring af højeffekt PCB'er

Designere står over for komplekse problemer, når de opfylder strømkravene, som omfatter effektiv termisk styring, startende med PCB-designet. Hele den energi-elektroniske sektor, inklusive RF-applikationer og systemer, der involverer højhastighedssignaler, udvikler sig i retning af løsninger, der tilbyder stadig mere komplekse funktionaliteter i evighed -mindre rum. Designere står over for stadig mere krævende udfordringer for at opfylde krav til systemstørrelse, vægt og effekt, som omfatter effektiv termisk styring, startende med designet af printpladen.

Aktive strømenheder med høj integrationsdensitet, såsom MOSFET-transistorer, kan sprede en betydelig mængde varme og kræver derfor PCB'er, der kan overføre varme fra de varmeste komponenter til jordplaner eller varmeafledende overflader, der fungerer så effektivt og effektivt som muligt. Termisk stress er en af ​​hovedårsagerne til funktionsfejl i strømenheder, da det fører til en forringelse af ydeevnen eller endda en mulig funktionsfejl eller fejl i systemet. Den hurtige vækst i enheders effekttæthed og den konstante stigning i frekvenser er hovedårsagerne, der forårsager overdreven opvarmning af elektroniske komponenter. Den stadig mere udbredte brug af halvledere med reducerede effekttab og bedre termisk ledningsevne, såsom materialer med brede båndgab, er ikke i sig selv tilstrækkelig til at eliminere behovet for effektiv termisk styring.

Nuværende siliciumbaserede strømenheder opnår en overgangstemperatur mellem omkring 125˚C og 200˚C. Det er dog altid at foretrække at få enheden til at fungere under denne grænse, da dette ville føre til en hurtig nedbrydning af den og en reduktion af dens resterende levetid. Faktisk er det blevet anslået, at en stigning på 20˚C i driftstemperaturen, forårsaget af forkert termisk styring, kan reducere komponenternes resterende levetid med op til 50 procent.

Layout tilgang:

En tilgang til termisk styring, der almindeligvis følges i mange projekter, er at bruge substrater med standard Flamme Retardant Level 4 (FR-4), et billigt og let anvendeligt materiale, med fokus på termisk optimering af kredsløbslayoutet.

De vigtigste vedtagne foranstaltninger vedrører tilvejebringelse af yderligere kobberoverflader, brug af spor med en større tykkelse og indføring af termisk gennemgang under de komponenter, der genererer den største mængde varme. En mere aggressiv teknik, der er i stand til at sprede en større mængde varme, involverer indsættelse i PCB eller påføring på de yderste lag rigtige kobberblokke, typisk i form af en mønt (deraf navnet "kobbermønter"). Kobbermønterne behandles separat og derefter loddes eller fastgøres direkte til printkortet, eller de kan indsættes i de indre lag og forbindes med de ydre lag gennem termiske vias. Figur 1 viser et printkort, hvori der er lavet et særligt hulrum til at rumme en kobbermønt.

Kobber har en termisk konduktivitetskoefficient på 380 W/mK sammenlignet med 225 W/mK for aluminium og til 0,3 W/mK for FR-4. Kobber er et relativt billigt metal og er allerede meget brugt i PCB-fremstilling; derfor er det det ideelle valg til fremstilling af kobbermønter, termiske vias og jordplaner, alle løsninger, der er i stand til at forbedre varmeafledning.

Korrekt placering af de aktive komponenter på pladen er en afgørende faktor for at forhindre dannelsen af ​​hot spots og dermed sikre, at varmen fordeles så jævnt som muligt langs hele pladen. I denne henseende bør de aktive komponenter fordeles i nogen bestemt rækkefølge omkring PCB'et for at undgå dannelsen af ​​hot spots i et specifikt område. Det er dog bedre at undgå at placere aktive komponenter, der genererer en betydelig mængde varme nær brættets kanter. Omvendt bør de placeres så tæt som muligt på midten af ​​pladen, hvilket fremmer en jævn varmefordeling. Hvis en højeffekt enhed er monteret nær kanten af ​​brættet, vil den opbygge varme på kanten, hvilket øger den lokale temperatur. Placeres den derimod nær midten af ​​brættet, vil varmen spredes på overfladen i alle retninger, hvilket reducerer temperaturen og afleder varmen lettere. Strømforsyningsenheder bør ikke placeres tæt på følsomme komponenter og bør være i passende afstand fra hinanden.

Valg af PCB-substrat:

På grund af sin lave termiske ledningsevne — mellem {{0}}.2 og 0,5 W/mK — er FR-4 generelt ikke egnet til applikationer, hvor en stor mængde varme skal bortledes. Den varme, der kan opbygges i kredsløb med høj effekt, er betydelig, forstærket af det faktum, at disse systemer ofte fungerer i barske miljøer og ekstreme temperaturer. Brug af et alternativt substratmateriale med højere termisk ledningsevne kan være et bedre valg end at bruge den traditionelle FR-4.

Keramiske materialer giver for eksempel betydelige fordele til termisk styring af højeffekt-PCB'er. Ud over forbedret termisk ledningsevne tilbyder disse materialer fremragende mekaniske egenskaber, der hjælper med at kompensere for den stress, der opstår under gentagne termiske cykler. Derudover har keramiske materialer lavere dielektriske tab ved frekvenser op til 10 GHz. For højere frekvenser er det altid muligt at vælge hybridmaterialer (såsom PTFE), som tilbyder lige så lave tab med en beskeden reduktion i termisk ledningsevne.

Jo højere varmeledningsevne et materiale har, jo hurtigere er varmeoverførslen. Det følger heraf, at metaller som aluminium, ud over at være lettere end keramik, tilbyder en fremragende løsning til at overføre varme væk fra komponenter. Aluminium er især en fremragende leder, har fremragende holdbarhed, er genanvendeligt og er ikke-giftigt. Takket være deres høje termiske ledningsevne hjælper metallagene med hurtigt at overføre varme gennem pladen. Nogle producenter tilbyder også metalbeklædte PCB'er, hvor begge yderlag er metalbeklædte, typisk aluminium eller galvaniseret kobber. Fra et pris-per-vægtenhedssynspunkt er aluminium det bedste valg, mens kobber giver højere varmeledningsevne. Aluminium er meget udbredt til konstruktion af PCB'er, der understøtter højeffekt LED'er (et eksempel er vist i figur 2), hvor det også er særligt nyttigt for dets evne til at reflektere lyset væk fra underlaget.

Metal-PCB'er, også kendt som isolerende metalsubstrater (IMS), kan lamineres direkte ind i PCB'et, hvilket resulterer i et print med FR-4-substrater og metalkerne med enkeltlags- og dobbeltlagsteknologi med dybdekontrolruting, som tjener til at overføre varme væk fra komponenter om bord og til mindre kritiske områder. I IMS PCB'er lamineres et tyndt lag termisk ledende, men elektrisk isolerende dielektrikum mellem en metalbase og en kobberfolie. Kobberfolien ætses ind i det ønskede kredsløbsmønster, og metalbasen absorberer varme fra dette kredsløb gennem det tynde dielektrikum.

De vigtigste fordele ved IMS PCB'er er følgende:

1. Varmeafgivelsen er væsentligt højere end standard FR-4 konstruktioner.

2. Dielektrikkerne er typisk 5× til 10× mere termisk ledende end normalt epoxyglas.

3. Termisk overførsel er eksponentielt mere effektiv end i et konventionelt PCB.

4. Udover LED-teknologi (belyste skilte, displays og belysning) er IMS-kredsløbskort meget brugt i bilindustrien (forlygter, motorstyring og servostyring), i kraftelektronik (DC-strømforsyning, invertere og motorstyring) , i switche og i halvlederrelæer.