Managementul termic al PCB-urilor de mare putere
Proiectanții se confruntă cu probleme complexe ÎN îndeplinirea cerințelor de putere, care includ managementul termic eficient, începând cu proiectarea PCB-ului. Întregul sector electronic de putere, inclusiv aplicațiile și sistemele RF care implică semnale de mare viteză, evoluează către soluții care oferă funcționalități din ce în ce mai complexe în orice moment. -spatii mai mici. Designerii se confruntă cu provocări din ce în ce mai solicitante pentru a îndeplini cerințele privind dimensiunea, greutatea și puterea sistemului, care includ managementul termic eficient, începând cu proiectarea plăcii de circuit imprimat.
Dispozitivele de putere activă cu densitate ridicată de integrare, cum ar fi tranzistoarele MOSFET, pot disipa o cantitate semnificativă de căldură și, prin urmare, necesită PCB-uri care pot transfera căldură de la cele mai fierbinți componente către planuri de masă sau suprafețe care disipă căldura, funcționând cât mai eficient și eficient posibil. Stresul termic este una dintre principalele cauze ale disfuncționalității dispozitivelor de alimentare, deoarece duce la o degradare a performanței sau chiar la o eventuală defecțiune sau defecțiune a sistemului. Creșterea rapidă a densității de putere a dispozitivelor și creșterea constantă a frecvențelor sunt principalele motive care provoacă încălzirea excesivă a componentelor electronice. Utilizarea din ce în ce mai răspândită a semiconductorilor cu pierderi de putere reduse și o conductivitate termică mai bună, cum ar fi materialele cu bandă interzisă largă, nu este suficientă în sine pentru a elimina necesitatea unui management termic eficient.
Dispozitivele actuale de alimentare pe bază de siliciu ating o temperatură de joncțiune între aproximativ 125˚C și 200˚C. Cu toate acestea, este întotdeauna de preferat ca dispozitivul să funcționeze sub această limită, deoarece aceasta ar duce la o degradare rapidă a acestuia și o reducere a duratei sale de viață reziduală. De fapt, s-a estimat că o creștere cu 20˚C a temperaturii de funcționare, cauzată de un management termic necorespunzător, poate reduce durata de viață reziduală a componentelor cu până la 50 la sută.
Abordarea aspectului:
O abordare a managementului termic urmată în mod obișnuit în multe proiecte este utilizarea substraturilor cu nivel standard de ignifugare 4 (FR-4), un material ieftin și ușor de lucrat, concentrându-se pe optimizarea termică a circuitului.
Principalele măsuri adoptate se referă la asigurarea suprafețelor suplimentare de cupru, utilizarea urmelor cu o grosime mai mare și introducerea de via termică sub componentele care generează cea mai mare cantitate de căldură. O tehnică mai agresivă, capabilă să disipeze o cantitate mai mare de căldură, presupune introducerea în PCB sau aplicarea pe straturile cele mai exterioare a blocurilor reale de cupru, de obicei în formă de monedă (de unde și denumirea de „monede de cupru”). Monedele de cupru sunt procesate separat și apoi lipite sau atașate direct la PCB, sau pot fi introduse în straturile interioare și conectate la straturile exterioare prin căi termice. Figura 1 prezintă un PCB în care a fost realizată o cavitate specială pentru a găzdui o monedă de cupru.
Cuprul are un coeficient de conductivitate termică de 380 W/mK, în comparație cu 225 W/mK pentru aluminiu și cu 0,3 W/mK pentru FR-4. Cuprul este un metal relativ ieftin și deja utilizat pe scară largă în fabricarea PCB-urilor; prin urmare, este alegerea ideală pentru realizarea de monede de cupru, vii termice și planuri de masă, toate soluții capabile să îmbunătățească disiparea căldurii.
Poziționarea corectă a componentelor active pe placă este un factor crucial în prevenirea formării punctelor fierbinți, asigurându-se astfel că căldura este distribuită cât mai uniform pe toată placa. În acest sens, componentele active ar trebui să fie distribuite într-o anumită ordine în jurul PCB pentru a evita formarea de puncte fierbinți într-o anumită zonă. Cu toate acestea, este mai bine să evitați plasarea componentelor active care generează o cantitate semnificativă de căldură lângă marginile plăcii. Dimpotrivă, acestea ar trebui poziționate cât mai aproape de centrul plăcii, favorizând o distribuție uniformă a căldurii. Dacă un dispozitiv de mare putere este montat lângă marginea plăcii, acesta va acumula căldură pe margine, crescând temperatura locală. Daca, in schimb, este plasat in apropierea centrului tablei, caldura se va disipa pe suprafata in toate directiile, reducand temperatura si disipand caldura mai usor. Dispozitivele de alimentare nu trebuie amplasate în apropierea componentelor sensibile și ar trebui să fie distanțate corespunzător unele de altele.
Selectarea substratului PCB:
Datorită conductibilității sale termice scăzute — între {{0}},2 și 0,5 W/mK — FR-4 nu este, în general, potrivit pentru aplicații în care trebuie să fie disipată o cantitate mare de căldură. Căldura care se poate acumula în circuitele de mare putere este considerabilă, agravată de faptul că aceste sisteme funcționează adesea în medii dure și temperaturi extreme. Utilizarea unui material substrat alternativ cu conductivitate termică mai mare poate fi o alegere mai bună decât utilizarea FR-4 tradițională.
Materialele ceramice, de exemplu, oferă avantaje semnificative pentru managementul termic al PCB-urilor de mare putere. Pe lângă conductivitatea termică îmbunătățită, aceste materiale oferă proprietăți mecanice excelente care ajută la compensarea stresului acumulat în timpul ciclurilor termice repetate. În plus, materialele ceramice au pierderi dielectrice mai mici care operează la frecvențe de până la 10 GHz. Pentru frecvente mai mari, este intotdeauna posibil sa optezi pentru materiale hibride (cum ar fi PTFE), care ofera pierderi la fel de mici cu o reducere modesta a conductibilitatii termice.
Cu cât conductivitatea termică a unui material este mai mare, cu atât transferul de căldură este mai rapid. Rezultă că metalele precum aluminiul, pe lângă faptul că sunt mai ușoare decât ceramica, oferă o soluție excelentă pentru transferul căldurii departe de componente. În special, aluminiul este un conductor excelent, are o durabilitate excelentă, este reciclabil și nu este toxic. Datorită conductibilității lor termice ridicate, straturile metalice ajută la transferul rapid de căldură pe placa. Unii producători oferă, de asemenea, PCB-uri placate cu metal, în care ambele straturi exterioare sunt placate cu metal, de obicei din aluminiu sau cupru galvanizat. Din punct de vedere al costului pe unitate de greutate, aluminiul este cea mai bună alegere, în timp ce cuprul oferă o conductivitate termică mai mare. Aluminiul este utilizat pe scară largă pentru construcția de PCB-uri care suportă LED-uri de mare putere (un exemplu este prezentat în Figura 2), în care este, de asemenea, deosebit de util pentru capacitatea sa de a reflecta lumina departe de substrat.
PCB-urile metalice, cunoscute și sub denumirea de substraturi metalice izolante (IMS), pot fi laminate direct în PCB, rezultând o placă cu substraturi FR-4 și miez metalic cu tehnologie cu un singur strat și cu două straturi, cu direcționare de control a adâncimii, care servește la transferul căldurii departe de componentele de la bord și în zonele mai puțin critice. În PCB-urile IMS, un strat subțire de dielectric conductiv termic, dar izolator electric este laminat între o bază metalică și o folie de cupru. Folia de cupru este gravată în modelul de circuit dorit, iar baza metalică absoarbe căldura din acest circuit prin dielectricul subțire.
Principalele avantaje oferite de PCB-urile IMS sunt următoarele:
1. Disiparea căldurii este semnificativ mai mare decât construcțiile FR-4 standard.
2. Dielectricii sunt de obicei cu 5x până la 10x mai conductivi termic decât sticla epoxidică normală.
3. Transferul termic este exponențial mai eficient decât într-un PCB convențional.
4. Pe lângă tehnologia LED (semnale luminoase, afișaje și iluminare), plăcile de circuite IMS sunt utilizate pe scară largă în industria auto (faruri, controlul motorului și servodirecția), în electronica de putere (sursa de curent continuu, invertoare și controlul motorului) , în întrerupătoare și în relee semiconductoare.
