En tilnærming til termisk styring av høyeffekts PCB
Designere står overfor komplekse problemer i møte med strømkrav, som inkluderer effektiv termisk styring, fra og med PCB-designet.
Hele den kraftelektroniske sektoren, inkludert RF-applikasjoner og systemer som involverer høyhastighetssignaler, utvikler seg mot løsninger som tilbyr stadig mer komplekse funksjoner i stadig mindre rom. Designere står overfor stadig mer krevende utfordringer for å møte systemstørrelse, vekt og kraftkrav, som inkluderer effektiv termisk styring, som starter med utformingen av kretskortet.
Aktive kraftenheter med høy integrering-tetthet, som MOSFET-transistorer, kan spre en betydelig mengde varme og krever derfor PCB-er som kan overføre varme fra de varmeste komponentene til jordplan eller varmeavledende overflater, som fungerer så effektivt og effektivt som mulig. Termisk stress er en av hovedårsakene til funksjonsfeil på strømenheter, da det fører til en forringelse av ytelsen eller til og med en mulig funksjonsfeil eller feil i systemet. Den raske veksten av strømtettheten til enheter og den konstante økningen i frekvenser er hovedårsakene som forårsaker overdreven oppvarming av elektroniske komponenter. Den stadig mer utbredte bruken av halvledere med reduserte effekttap og bedre varmeledningsevne, som materialer med brede båndgap, er ikke i seg selv tilstrekkelig til å eliminere behovet for effektiv varmestyring.
Nåværende silisiumbaserte kraftenheter oppnår en overgangstemperatur mellom ca. 125˚C og 200˚C. Det er imidlertid alltid å foretrekke å få enheten til å operere under denne grensen, da dette vil føre til en rask nedbrytning av den og en reduksjon av gjenværende levetid. Faktisk har det blitt anslått at en økning på 20˚C i driftstemperaturen, forårsaket av feil termisk styring, kan redusere gjenværende levetid for komponentene med opptil 50 prosent.
Layout tilnærming:
En tilnærming til termisk styring som vanligvis følges i mange prosjekter, er å bruke underlag med standard Flame Retardant Level 4 (FR-4), et billig og lett brukbart materiale, med fokus på termisk optimalisering av kretsoppsettet.
De viktigste vedtatte tiltakene gjelder tilførsel av ekstra kobberoverflater, bruk av spor med større tykkelse, og innføring av termisk via under komponentene som genererer størst varmemengde. En mer aggressiv teknikk, som er i stand til å spre en større mengde varme, innebærer å sette inn i PCB eller påføre på de ytterste lagene ekte kobberblokker, typisk i form av en mynt (derav navnet "kobbermynter"). Kobbermyntene behandles separat og deretter loddes eller festes direkte til PCB, eller de kan settes inn i de indre lagene og kobles til de ytre lagene gjennom termiske vias. Figur 1 viser et PCB hvor det er laget et spesielt hulrom for å huse en kobbermynt.
Kobber har en termisk konduktivitetskoeffisient på 380 W/mK, sammenlignet med 225 W/mK for aluminium og til 0,3 W/mK for FR-4. Kobber er et relativt billig metall og er allerede mye brukt i PCB-produksjon; derfor er det det ideelle valget for å lage kobbermynter, termiske vias og jordplan, alle løsninger som er i stand til å forbedre varmespredningen.
Riktig plassering av de aktive komponentene på brettet er en avgjørende faktor for å forhindre dannelse av varme flekker, og dermed sikre at varmen fordeles så jevnt som mulig langs hele brettet. I denne forbindelse bør de aktive komponentene fordeles i ingen spesiell rekkefølge rundt PCB for å unngå dannelse av hot spots i et spesifikt område. Det er imidlertid bedre å unngå å plassere aktive komponenter som genererer en betydelig mengde varme nær kantene på brettet. Omvendt bør de plasseres så nært som mulig til midten av brettet, noe som favoriserer en jevn varmefordeling. Hvis en høyeffektsenhet er montert nær kanten av brettet, vil den bygge opp varme på kanten, noe som øker den lokale temperaturen. Hvis den derimot plasseres nær midten av brettet, vil varmen forsvinne på overflaten i alle retninger, noe som reduserer temperaturen og sprer varmen lettere. Strømenheter bør ikke plasseres i nærheten av sensitive komponenter og bør ha riktig avstand fra hverandre.
PCB-substratvalg:
På grunn av sin lave termiske ledningsevne — mellom {{0}}.2 og 0,5 W/mK — er FR-4 vanligvis ikke egnet for applikasjoner der en stor mengde varme må avledes. Varmen som kan bygges opp i kretser med høy effekt er betydelig, forsterket av det faktum at disse systemene ofte opererer i tøffe miljøer og ekstreme temperaturer. Å bruke et alternativt substratmateriale med høyere varmeledningsevne kan være et bedre valg enn å bruke den tradisjonelle FR-4.
Keramiske materialer, for eksempel, gir betydelige fordeler for termisk styring av høyeffekts PCB. I tillegg til forbedret termisk ledningsevne, tilbyr disse materialene utmerkede mekaniske egenskaper som hjelper til med å kompensere for spenningen akkumulert under gjentatt termisk syklus. I tillegg har keramiske materialer lavere dielektriske tap som opererer ved frekvenser opp til 10 GHz. For høyere frekvenser er det alltid mulig å velge hybridmaterialer (som PTFE), som tilbyr like lave tap med en beskjeden reduksjon i termisk ledningsevne.
Jo høyere varmeledningsevne et materiale har, desto raskere går varmeoverføringen. Det følger at metaller som aluminium, i tillegg til å være lettere enn keramikk, tilbyr en utmerket løsning for å overføre varme bort fra komponenter. Aluminium er spesielt en utmerket leder, har utmerket holdbarhet, er resirkulerbar og er giftfri. Takket være deres høye varmeledningsevne bidrar metalllagene til å raskt overføre varme gjennom brettet. Noen produsenter tilbyr også metallkledde PCB, hvor begge ytre lag er metallkledde, typisk aluminium eller galvanisert kobber. Fra et kostnad-per-vekt-enhetssynspunkt er aluminium det beste valget, mens kobber gir høyere varmeledningsevne. Aluminium er mye brukt til konstruksjon av PCB som støtter høyeffekts LED (et eksempel er vist i figur 2), der det også er spesielt nyttig for sin evne til å reflektere lyset bort fra underlaget.
Metall-PCB, også kjent som isolerende metallsubstrater (IMS), kan lamineres direkte inn i kretskortet, noe som resulterer i et bord med FR-4-substrater og metallkjerne med enkeltlags- og dobbeltlagsteknologi med dybdekontrollruting, som tjener til å overføre varme bort fra komponenter ombord og til mindre kritiske områder. I IMS PCB er et tynt lag med termisk ledende, men elektrisk isolerende dielektrikum laminert mellom en metallbase og en kobberfolie. Kobberfolien etses inn i ønsket kretsmønster og metallbasen absorberer varme fra denne kretsen gjennom det tynne dielektrikumet.
De viktigste fordelene som tilbys av IMS PCB er følgende:
1. Varmespredningen er betydelig høyere enn standard FR-4 coinstruksjoner.
2. Dielektrikken er typisk 5× til 10× mer termisk ledende enn vanlig epoksyglass.
3. Termisk overføring er eksponentielt mer effektiv enn i en konvensjonell PCB.
4. I tillegg til LED-teknologi (opplyste skilt, skjermer og belysning), er IMS-kretskort mye brukt i bilindustrien (frontlykter, motorstyring og servostyring), i kraftelektronikk (DC-strømforsyning, omformere og motorstyring) , i brytere og i halvlederreleer.
