Pengurusan Terma PCB Berkuasa Tinggi

Pereka bentuk menghadapi isu yang rumit DALAM memenuhi keperluan kuasa, yang termasuk pengurusan haba yang berkesan, bermula dengan reka bentuk PCB. Keseluruhan sektor kuasa-elektronik, termasuk aplikasi dan sistem RF yang melibatkan isyarat berkelajuan tinggi, sedang berkembang ke arah penyelesaian yang menawarkan fungsi yang semakin kompleks selama-lamanya. -ruang yang lebih kecil. Pereka bentuk menghadapi cabaran yang semakin mencabar untuk memenuhi keperluan saiz sistem, berat dan kuasa, yang termasuk pengurusan haba yang berkesan, bermula dengan reka bentuk papan litar bercetak.

Peranti kuasa aktif berketumpatan tinggi penyepaduan, seperti transistor MOSFET, boleh menghilangkan sejumlah besar haba dan oleh itu memerlukan PCB yang boleh memindahkan haba daripada komponen paling panas ke satah bumi atau permukaan pelesapan haba, beroperasi dengan cekap dan berkesan yang mungkin. Tekanan terma adalah salah satu punca utama kerosakan peranti kuasa, kerana ia membawa kepada kemerosotan prestasi atau kemungkinan kerosakan atau kegagalan sistem. Pertumbuhan pesat ketumpatan kuasa peranti dan peningkatan frekuensi yang berterusan adalah sebab utama yang menyebabkan pemanasan berlebihan komponen elektronik. Penggunaan semikonduktor yang semakin meluas dengan kehilangan kuasa yang berkurangan dan kekonduksian terma yang lebih baik, seperti bahan jurang jalur lebar, tidak dengan sendirinya mencukupi untuk menghapuskan keperluan untuk pengurusan haba yang berkesan.

Peranti kuasa berasaskan silikon semasa mencapai suhu simpang antara kira-kira 125˚C dan 200˚C. Walau bagaimanapun, adalah lebih baik untuk menjadikan peranti beroperasi di bawah had ini, kerana ini akan membawa kepada kemerosotan pesat peranti yang sama dan pengurangan hayat bakinya. Malah, dianggarkan bahawa peningkatan 20˚C dalam suhu operasi, disebabkan oleh pengurusan haba yang tidak betul, boleh mengurangkan hayat baki komponen sehingga 50 peratus .

Pendekatan susun atur:

Pendekatan kepada pengurusan terma yang lazimnya diikuti dalam banyak projek ialah menggunakan substrat dengan Standard Flame Retardant Level 4 (FR-4), bahan yang murah dan mudah digunakan, memfokuskan pada pengoptimuman terma reka letak litar.

Langkah-langkah utama yang diterima pakai berkenaan dengan penyediaan permukaan tembaga tambahan, penggunaan kesan dengan ketebalan yang lebih besar, dan pemasukan haba melalui bawah komponen yang menghasilkan jumlah haba yang paling banyak. Teknik yang lebih agresif, yang mampu menghilangkan haba yang lebih besar, melibatkan memasukkan ke dalam PCB atau menggunakan pada lapisan paling luar blok tembaga sebenar, biasanya dalam bentuk syiling (oleh itu dinamakan "syiling tembaga"). Syiling tembaga diproses secara berasingan dan kemudian dipateri atau dilekatkan terus ke PCB, atau ia boleh dimasukkan ke dalam lapisan dalam dan disambungkan ke lapisan luar melalui vias terma. Rajah 1 menunjukkan sebuah PCB di mana satu rongga khas telah dibuat untuk menempatkan syiling kuprum.

Kuprum mempunyai pekali kekonduksian terma 380 W/mK, berbanding dengan 225 W/mK untuk aluminium dan kepada 0.3 W/mK untuk FR-4. Tembaga adalah logam yang agak murah dan telah digunakan secara meluas dalam pembuatan PCB; oleh itu, ia adalah pilihan yang ideal untuk membuat syiling tembaga, vias haba, dan satah tanah, semua penyelesaian yang mampu meningkatkan pelesapan haba.

Kedudukan komponen aktif yang betul pada papan adalah faktor penting dalam mencegah pembentukan titik panas, dengan itu memastikan haba diagihkan sekata mungkin di sepanjang keseluruhan papan. Dalam hal ini, komponen aktif harus diagihkan tanpa susunan tertentu di sekeliling PCB untuk mengelakkan pembentukan titik panas di kawasan tertentu. Walau bagaimanapun, adalah lebih baik untuk mengelak daripada meletakkan komponen aktif yang menghasilkan sejumlah besar haba berhampiran tepi papan. Sebaliknya, mereka harus diletakkan sedekat mungkin dengan bahagian tengah papan, memihak kepada pengagihan haba yang sekata. Jika peranti berkuasa tinggi dipasang berhampiran tepi papan, ia akan membina haba di tepi, meningkatkan suhu setempat. Jika, sebaliknya, ia diletakkan berhampiran bahagian tengah papan, haba akan hilang di permukaan ke semua arah, mengurangkan suhu dan menghilangkan haba dengan lebih mudah. Peranti kuasa tidak boleh diletakkan berdekatan dengan komponen sensitif dan hendaklah dijarakkan dengan betul antara satu sama lain.

Pemilihan substrat PCB:

Disebabkan kekonduksian termanya yang rendah — antara {{0}}.2 dan 0.5 W/mK — FR-4 secara amnya tidak sesuai untuk aplikasi di mana sejumlah besar haba perlu dilesapkan. Haba yang boleh terkumpul dalam litar berkuasa tinggi adalah besar, ditambah lagi dengan fakta bahawa sistem ini sering beroperasi dalam persekitaran yang keras dan suhu yang melampau. Menggunakan bahan substrat alternatif dengan kekonduksian terma yang lebih tinggi mungkin merupakan pilihan yang lebih baik daripada menggunakan FR tradisional-4.

Bahan seramik, sebagai contoh, menawarkan kelebihan yang ketara untuk pengurusan haba PCB berkuasa tinggi. Sebagai tambahan kepada kekonduksian terma yang lebih baik, bahan ini menawarkan sifat mekanikal yang sangat baik yang membantu mengimbangi tekanan terkumpul semasa kitaran haba berulang. Selain itu, bahan seramik mempunyai kehilangan dielektrik yang lebih rendah yang beroperasi pada frekuensi sehingga 10 GHz. Untuk frekuensi yang lebih tinggi, ia sentiasa mungkin untuk memilih bahan hibrid (seperti PTFE), yang menawarkan kerugian yang sama rendah dengan pengurangan sederhana dalam kekonduksian terma.

Semakin tinggi kekonduksian terma sesuatu bahan, semakin cepat pemindahan haba. Ia berikutan bahawa logam seperti aluminium, selain lebih ringan daripada seramik, menawarkan penyelesaian yang sangat baik untuk memindahkan haba dari komponen. Aluminium terutamanya adalah konduktor yang sangat baik, mempunyai ketahanan yang sangat baik, boleh dikitar semula, dan tidak toksik. Terima kasih kepada kekonduksian haba yang tinggi, lapisan logam membantu dengan cepat memindahkan haba ke seluruh papan. Sesetengah pengeluar juga menawarkan PCB bersalut logam, di mana kedua-dua lapisan luar bersalut logam, biasanya aluminium atau tembaga tergalvani. Dari sudut kos setiap unit berat, aluminium ialah pilihan terbaik, manakala tembaga menawarkan kekonduksian terma yang lebih tinggi. Aluminium digunakan secara meluas untuk pembinaan PCB yang menyokong LED berkuasa tinggi (contoh ditunjukkan dalam Rajah 2), di mana ia juga amat berguna untuk keupayaannya memantulkan cahaya dari substrat.

PCB logam, juga dikenali sebagai substrat logam penebat (IMS), boleh dilaminasi terus ke dalam PCB, menghasilkan papan dengan substrat FR-4 dan teras logam dengan teknologi satu lapisan dan dua lapisan dengan penghalaan kawalan kedalaman, yang berfungsi untuk memindahkan haba dari komponen on-board dan ke kawasan yang kurang kritikal. Dalam PCB IMS, lapisan nipis dielektrik pengalir haba tetapi penebat elektrik dilaminasi di antara tapak logam dan kerajang kuprum. Kerajang kuprum terukir ke dalam corak litar yang dikehendaki dan tapak logam menyerap haba daripada litar ini melalui dielektrik nipis.

Kelebihan utama yang ditawarkan oleh IMS PCB adalah seperti berikut:

1. Pelesapan haba adalah jauh lebih tinggi daripada pembinaan FR-4 standard.

2. Dielektrik biasanya 5× hingga 10× lebih konduktif haba daripada kaca epoksi biasa.

3. Pemindahan terma secara eksponen lebih cekap daripada PCB konvensional.

4. Selain teknologi LED (tanda bercahaya, paparan dan pencahayaan), papan litar IMS digunakan secara meluas dalam industri automotif (lampu depan, kawalan enjin dan stereng kuasa), dalam elektronik kuasa (bekalan kuasa DC, penyongsang dan kawalan enjin) , dalam suis, dan dalam geganti semikonduktor.