Подход за термично управление на печатни платки с висока мощност

   Дизайнерите се сблъскват със сложни проблеми при посрещането на изискванията за захранване, които включват ефективно управление на топлината, като се започне от дизайна на печатната платка.

     Целият енергоелектронен сектор, включително RF приложения и системи, включващи високоскоростни сигнали, се развива към решения, които предлагат все по-сложни функционалности във все по-малки пространства. Дизайнерите са изправени пред все по-взискателни предизвикателства, за да отговорят на изискванията за размер, тегло и мощност на системата, които включват ефективно управление на топлината, като се започне с дизайна на печатната платка.

  Устройства с активна мощност с висока плътност на интегриране, като MOSFET транзистори, могат да разсейват значително количество топлина и следователно изискват печатни платки, които могат да пренасят топлина от най-горещите компоненти към заземени равнини или разсейващи топлина повърхности, като работят възможно най-ефективно и ефективно. Топлинният стрес е една от основните причини за неправилно функциониране на захранващите устройства, тъй като води до влошаване на производителността или дори възможна неизправност или повреда на системата. Бързото нарастване на плътността на мощността на устройствата и постоянното увеличаване на честотите са основните причини, които причиняват прекомерно нагряване на електронните компоненти. Все по-широко разпространеното използване на полупроводници с намалени загуби на мощност и по-добра топлопроводимост, като широколентови материали, само по себе си не е достатъчно, за да премахне необходимостта от ефективно управление на топлината.

    Настоящите базирани на силиций захранващи устройства постигат температура на свързване между около 125˚C и 200˚C. Все пак винаги е за предпочитане устройството да работи под тази граница, тъй като това би довело до бързо разграждане на същото и намаляване на остатъчния му живот. Всъщност, изчислено е, че повишаване с 20˚C на работната температура, причинено от неправилно термично управление, може да намали остатъчния живот на компонентите с до 50 процента.

Подход към оформлението:

  Подход за управление на топлината, който обикновено се следва в много проекти, е да се използват субстрати със стандартно ниво на забавяне на горенето 4 (FR-4), евтин и лесно работещ материал, фокусиран върху термичната оптимизация на оформлението на веригата.

Основните приети мерки се отнасят до осигуряването на допълнителни медни повърхности, използването на следи с по-голяма дебелина и вмъкването на термични отвори под компонентите, които генерират най-голямо количество топлина. По-агресивна техника, способна да разсейва по-голямо количество топлина, включва вмъкване в печатната платка или нанасяне върху най-външните слоеве на истински медни блокове, обикновено във формата на монета (оттук и името "медни монети"). Медните монети се обработват отделно и след това се запояват или прикрепят директно към печатната платка, или могат да бъдат вмъкнати във вътрешните слоеве и свързани с външните слоеве чрез термични отвори. Фигура 1 показва печатна платка, в която е направена специална кухина за поставяне на медна монета.

  Медта има коефициент на топлопроводимост от 380 W/mK, в сравнение с 225 W/mK за алуминия и до 0,3 W/mK за FR-4. Медта е сравнително евтин метал и вече се използва широко в производството на печатни платки; следователно, това е идеалният избор за изработване на медни монети, термични отвори и заземителни плоскости, всички решения, способни да подобрят разсейването на топлината.

   Правилното позициониране на активните компоненти върху платката е решаващ фактор за предотвратяване на образуването на горещи точки, като по този начин се гарантира, че топлината се разпределя възможно най-равномерно по цялата платка. В тази връзка активните компоненти не трябва да се разпределят в определен ред около печатната платка, за да се избегне образуването на горещи точки в определена област. Въпреки това е по-добре да избягвате поставянето на активни компоненти, които генерират значително количество топлина, близо до краищата на платката. Обратно, те трябва да бъдат разположени възможно най-близо до центъра на дъската, което благоприятства равномерното разпределение на топлината. Ако устройство с висока мощност е монтирано близо до ръба на платката, то ще натрупа топлина по ръба, повишавайки местната температура. Ако, от друга страна, се постави близо до центъра на дъската, топлината ще се разсейва по повърхността във всички посоки, намалявайки температурата и разсейвайки топлината по-лесно. Захранващите устройства не трябва да се поставят близо до чувствителни компоненти и трябва да са на подходящо разстояние едно от друго.

Избор на субстрат за PCB:

Поради ниската си топлопроводимост — между {{0}}.2 и 0,5 W/mK — FR-4 обикновено не е подходящ за приложения, при които трябва да се разсейва голямо количество топлина. Топлината, която може да се натрупа във вериги с висока мощност, е значителна, усложнена от факта, че тези системи често работят в тежки среди и екстремни температури. Използването на алтернативен субстратен материал с по-висока топлопроводимост може да бъде по-добър избор от използването на традиционния FR-4.

    Керамичните материали, например, предлагат значителни предимства за управление на топлината на PCB с висока мощност. В допълнение към подобрената топлопроводимост, тези материали предлагат отлични механични свойства, които спомагат за компенсиране на напрежението, натрупано по време на повтарящи се топлинни цикли. Освен това, керамичните материали имат по-ниски диелектрични загуби, работещи при честоти до 10 GHz. За по-високи честоти винаги е възможно да изберете хибридни материали (като PTFE), които предлагат еднакво ниски загуби със скромно намаление на топлопроводимостта.

Колкото по-висока е топлопроводимостта на даден материал, толкова по-бърз е преносът на топлина. От това следва, че метали като алуминия, освен че са по-леки от керамиката, предлагат отлично решение за пренос на топлина от компонентите. Особено алуминият е отличен проводник, има отлична издръжливост, може да се рециклира и е нетоксичен. Благодарение на високата си топлопроводимост, металните слоеве спомагат за бързото пренасяне на топлина в цялата дъска. Някои производители също предлагат печатни платки с метално покритие, при което и двата външни слоя са покрити с метал, обикновено алуминий или поцинкована мед. От гледна точка на цена на единица тегло алуминият е най-добрият избор, докато медта предлага по-висока топлопроводимост. Алуминият се използва широко за конструкцията на печатни платки, които поддържат светодиоди с висока мощност (примерът е показан на фигура 2), в който също е особено полезен поради способността си да отразява светлината далеч от субстрата.

   Металните печатни платки, известни също като изолиращи метални субстрати (IMS), могат да бъдат ламинирани директно в печатните платки, което води до платка с FR-4 субстрати и метално ядро ​​с еднослойна и двуслойна технология с маршрутизиране за контрол на дълбочината, който служи за пренос на топлина от бордовите компоненти към по-малко критични зони. В IMS PCB тънък слой от топлопроводим, но електроизолиращ диелектрик е ламиниран между метална основа и медно фолио. Медното фолио е гравирано в желания модел на веригата и металната основа абсорбира топлината от тази верига през тънкия диелектрик.

Основните предимства на IMS PCB са следните:

1. Разсейването на топлината е значително по-високо от стандартното FR-4 coинструкции.

2. Диелектриците обикновено са 5× до 10× по-топлопроводими от нормалното епоксидно стъкло.

3. Термичният трансфер е експоненциално по-ефективен, отколкото в конвенционалната печатна платка.

4. Освен LED технологията (осветени знаци, дисплеи и осветление), IMS платките се използват широко в автомобилната индустрия (фарове, управление на двигателя и серво управление), в силовата електроника (DC захранване, инвертори и управление на двигателя) , в превключватели и в полупроводникови релета.