Уся індустрія силової електроніки, включаючи радіочастотні додатки та системи, що включають високошвидкісні сигнали, рухається до рішень, які забезпечують все більш складну функціональність у все менших просторах. Розробники стикаються з дедалі складнішими проблемами щодо відповідності вимогам до розміру, ваги та потужності системи, включаючи ефективне управління температурою, яке, у свою чергу, починається з проектування друкованої плати.
Пристрої з високою інтеграцією активної потужності (наприклад, MOSFET-транзистори) виділяють велику кількість тепла, тому для максимально ефективної роботи потрібні друковані плати, які можуть передавати тепло від найгарячіших компонентів до землі або поверхні радіатора. Теплове навантаження є однією з основних причин несправності пристроїв живлення, оскільки воно може спричинити погіршення продуктивності та навіть призвести до збою чи несправності системи. Швидке зростання питомої потужності пристроїв і підвищення частоти є основними причинами перегріву електронних компонентів. Хоча напівпровідники з меншими втратами потужності та кращою теплопровідністю, такі як широкосмугові матеріали, використовуються все ширше, їх самих по собі недостатньо, щоб усунути потребу в ефективному регулюванні температури.
Сучасні пристрої живлення на основі кремнію можуть бути створені при температурах переходу приблизно від 125 градусів до 200 градусів. Однак бажано завжди дозволяти пристрою працювати без перевищення цієї граничної умови, таким чином уникаючи швидкого старіння пристрою та скорочення терміну його служби, що залишився. Фактично, за підрахунками, якщо неправильне управління температурою призведе до підвищення робочої температури на 20 градусів, кінцеве скорочення терміну служби компонента складе аж на 50 відсотків.
Компонування Електропроводки (компонування) Методика
Поширеним методом управління температурою, який використовується в багатьох проектах, є використання стандартної вогнестійкої підкладки класу 4 (FR-4), яка є недорогим і простим у обробці матеріалом, який зосереджується на тепловій оптимізації схеми схеми.
Основні заходи, які використовуються, передбачають надання додаткових мідних поверхонь, використання більш товстих центрів і вставлення радіаторів під компоненти, які виділяють найбільше тепла. Більш радикальна техніка розсіювання тепла передбачає вставлення або застосування справжнього мідного блоку на друкованій платі або на зовнішньому шарі, який зазвичай має форму монети, звідси й назва «мідна монета». Після окремої обробки мідної монети її можна припаяти або безпосередньо прикріпити до друкованої плати, або її можна вставити у внутрішній шар і з’єднати із зовнішнім шаром через радіатор. Плата, зображена на малюнку 1, виконана в спеціальній порожнині для розміщення мідної монети.
Мідь має теплопровідність 380 Вт/мК, порівняно з 225 Вт/мК для алюмінію та 0,3 Вт/мК для FR-4. Мідь є відносно недорогим металом, який широко використовується у виробництві друкованих плат; отже, він ідеально підходить для виготовлення мідних монет, отворів для радіатора та шарів ґрунту - усіх рішень, які покращують розсіювання тепла.
Правильне розміщення активних пристроїв на платі є ключовим фактором для запобігання утворенню гарячих точок, що забезпечує максимально рівномірний розподіл тепла по платі. У зв’язку з цим, активні пристрої повинні бути розподілені навколо друкованої плати без певного порядку, таким чином уникаючи утворення гарячих точок у певних областях. Однак краще уникати розміщення активних пристроїв, які виділяють багато тепла, біля краю плати. Замість цього їх слід розташувати якомога ближче до центру дошки, таким чином сприяючи рівномірному розподілу тепла. Якщо потужні прилади встановити біля краю плати, вони накопичуватимуть тепло на краю, тим самим підвищуючи локальну температуру. З іншого боку, якщо їх розмістити поблизу центру дошки, тепло розподілятиметься в усіх напрямках уздовж поверхні, полегшуючи зниження температури та полегшення розподілу тепла. Пристрої живлення не слід розміщувати близько до чутливих компонентів і розташовувати на належній відстані один від одного.
Заходи, вжиті на рівні компонування, можна додатково вдосконалити, використовуючи активні та пасивні системи охолодження (наприклад, радіатори або вентилятори) — такі системи можуть відводити тепло від активних пристроїв, а не випромінювати його безпосередньо в плату. Загалом, розробники повинні знайти правильний компроміс між різними стратегіями керування температурою залежно від вимог конкретного застосування та наявного бюджету.
Вибір підкладки друкованої плати
FR{{0}} зазвичай не підходить для застосувань, які вимагають розсіювання великої кількості тепла через його низьку теплопровідність (від 0.2 до 0.5 Вт/мК). Тепло, що виділяється в потужних ланцюгах, може бути значним, і ці системи часто працюють у суворих умовах і за екстремальних температур. Використання альтернативного матеріалу підкладки з вищою теплопровідністю може бути кращим вибором, ніж використання традиційного FR-4.
Керамічні матеріали, наприклад, пропонують значні переваги для управління температурою потужних друкованих плат. Такі матеріали, окрім покращення теплопровідності, також мають відмінні механічні властивості і, таким чином, допомагають компенсувати напруги, накопичені під час багаторазових термічних циклів. Крім того, керамічні матеріали мають низькі діелектричні втрати на частотах до 10 ГГц. Для більш високих частот завжди можна вибрати гібридні матеріали (наприклад, PTFE), які забезпечують такі ж низькі втрати, але з помірним зниженням теплопровідності.
Чим вище теплопровідність матеріалу, тим швидше відбувається тепловіддача. Таким чином, крім того, що вони легші за кераміку, такі метали, як алюміній, є чудовим рішенням для відведення тепла від компонентів. Алюміній, зокрема, також є чудовим провідником, має чудову довговічність, підлягає вторинній переробці та нетоксичний. Завдяки високій теплопровідності металевий шар сприяє швидкому передачі тепла по всій дошці. Деякі виробники також пропонують друковані плати з металевим покриттям, де обидва зовнішні шари покриті металом, як правило, алюмінієм або оцинкованою міддю. Алюміній є найкращим вибором з точки зору ціни за вагу, тоді як мідь має вищу теплопровідність. Алюміній також широко використовується для виготовлення друкованих плат, які підтримують потужні світлодіоди (як показано в прикладі на малюнку 2), де його здатність відбивати світло від підкладки також особливо корисна.
Навіть срібло, завдяки його теплопровідності приблизно на 5 відсотків вище, ніж у міді, також можна використовувати для створення центрів, отворів, прокладок і металевих шарів. Крім того, якщо плата використовується у вологому середовищі, де присутні токсичні гази, використання сріблястого покриття на оголених мідних вирівнювачах і мідних контактних площадках допоможе запобігти корозії – типовій загрозі, відомій у таких середовищах.
Металеві друковані плати, також відомі як ізольовані металеві підкладки (IMS), можна ламінувати безпосередньо в друковану плату для формування плат із підкладками FR-4 і металевими сердечниками. Використовуються одношарові та двошарові технології з проводкою з контрольованою глибиною, завдяки чому тепло може передаватись від бортових компонентів до менш критичних зон. У IMS PCB тонкий шар теплопровідного, але електроізоляційного діелектрика ламінований між металевою підкладкою та мідною фольгою. Мідна фольга вигравірувана в потрібний малюнок схеми, а металева підкладка поглинає тепло від схеми через цей тонкий діелектрик.
Основні переваги друкованих плат IMS наступні.
-Значно вища тепловіддача, ніж стандартні структури FR-4.
-Теплопровідність діелектрика зазвичай у 5-10 разів вища, ніж у звичайного епоксидного скла.
-Ефективність теплопередачі набагато вища, ніж у звичайних друкованих плат.
Окрім світлодіодної технології (світлові вивіски, дисплеї та освітлення), друковані плати IMS широко використовуються в автомобільній промисловості (фари, елементи керування двигуном та гідропідсилювач керма), силова електроніка (джерела живлення постійного струму, інвертори та елементи керування двигуном), перемикачі та напівпровідникові реле .