Nálgun við varmastjórnun á aflmiklum PCB

   Hönnuðir standa frammi fyrir flóknum vandamálum við að uppfylla orkuþörf, sem felur í sér skilvirka hitastjórnun, frá og með PCB hönnuninni.

     Allur rafgeirinn, þar á meðal RF forrit og kerfi sem fela í sér háhraðamerki, er að þróast í átt að lausnum sem bjóða upp á sífellt flóknari virkni í sífellt smærri rýmum. Hönnuðir standa frammi fyrir sífellt krefjandi áskorunum til að mæta kerfisstærð, þyngd og aflkröfum, sem fela í sér skilvirka hitastjórnun, sem byrjar með hönnun prentuðu hringrásarinnar.

  Virk afltæki með mikilli samþættingu, eins og MOSFET smára, geta dreift umtalsverðu magni af hita og krefst þess vegna PCB sem geta flutt varma frá heitustu íhlutunum til jarðplana eða hitadreifandi yfirborðs, virka á eins skilvirkan og skilvirkan hátt og mögulegt er. Hitaálag er ein helsta orsök bilunar á rafmagnstækjum, þar sem það leiðir til skerðingar á afköstum eða jafnvel hugsanlegrar bilunar eða bilunar í kerfinu. Hraður vöxtur aflþéttleika tækja og stöðug aukning á tíðni eru helstu ástæður sem valda of mikilli hitun rafeindaíhluta. Sífellt útbreiddari notkun hálfleiðara með minni afltapi og betri varmaleiðni, eins og efni með breitt bandbil, er í sjálfu sér ekki nægjanleg til að útrýma þörfinni fyrir skilvirka hitastjórnun.

    Núverandi raforkutæki sem eru byggð á kísil ná hitastigi á milli um 125˚C og 200˚C. Hins vegar er alltaf ákjósanlegt að láta tækið starfa undir þessum mörkum, þar sem það myndi leiða til hraðrar niðurbrots þess og minnka afgangslíftíma þess. Reyndar hefur verið áætlað að hækkun um 20˚C á rekstrarhitastigi, af völdum óviðeigandi hitastjórnunar, geti dregið úr afgangslíftíma íhlutanna um allt að 50 prósent.

Skipulagsaðferð:

  Aðferð við varmastjórnun sem almennt er fylgt í mörgum verkefnum er að nota undirlag með venjulegu logavarnarefnisstigi 4 (FR-4), ódýrt og auðvelt að vinna úr efni, með áherslu á hitauppstreymi á skipulagi hringrásarinnar.

Helstu samþykktar ráðstafanir varða útvegun á viðbótar koparflötum, notkun á snefilefnum með meiri þykkt og innsetningu hitauppstreymis undir þá íhluti sem framleiða mestan hita. Árásargjarnari tækni, sem getur dreift meira magni af hita, felur í sér að setja inn í PCB eða setja á ystu lögin alvöru koparkubba, venjulega í myntformi (þar af leiðandi nafnið "koparmynt"). Koparmyntin eru unnin sérstaklega og síðan lóðuð eða fest beint við PCB, eða þeir geta verið settir inn í innri lögin og tengd við ytri lögin í gegnum hitauppstreymi. Mynd 1 sýnir PCB þar sem sérstakt holrúm hefur verið gert til að hýsa koparmynt.

  Kopar hefur hitaleiðnistuðul 380 W/mK samanborið við 225 W/mK fyrir ál og 0,3 W/mK fyrir FR-4. Kopar er tiltölulega ódýr málmur og þegar mikið notaður í PCB framleiðslu; Þess vegna er það kjörinn kostur til að búa til koparmynt, hitauppstreymi og jarðflug, allar lausnir sem geta bætt hitaleiðni.

   Rétt staðsetning virku íhlutanna á borðið er afgerandi þáttur til að koma í veg fyrir myndun heitra punkta og tryggja þannig að hita dreifist eins jafnt og hægt er um allt borðið. Í þessu sambandi ætti að dreifa virku íhlutunum í engri sérstakri röð um PCB til að forðast myndun heitra bletta á tilteknu svæði. Hins vegar er betra að forðast að setja virka hluti sem mynda umtalsvert magn af hita nálægt brúnum borðsins. Aftur á móti ættu þeir að vera staðsettir eins nálægt miðju borðsins og hægt er, sem stuðlar að jafnri hitadreifingu. Ef aflmikið tæki er komið fyrir nálægt brún borðsins mun það safna upp hita á brúninni og hækka staðbundið hitastig. Ef hann er hins vegar settur nálægt miðju borðsins mun hitinn dreifa á yfirborðinu í allar áttir, hitastigið lækkar og hitinn dreifa auðveldara. Rafmagnstæki ættu ekki að vera nálægt viðkvæmum hlutum og ættu að vera á réttu bili frá hvort öðru.

PCB undirlag val:

Vegna lítillar varmaleiðni — á milli {{0}},2 og 0,5 W/mK — hentar FR-4 almennt ekki fyrir notkun þar sem mikið magn af hita þarf að dreifa. Hitinn sem getur safnast upp í aflhringrásum er töluverður, auk þess sem þessi kerfi starfa oft í erfiðu umhverfi og miklum hita. Að nota annað undirlagsefni með hærri hitaleiðni gæti verið betri kostur en að nota hefðbundið FR-4.

    Keramikefni, til dæmis, bjóða upp á umtalsverða kosti fyrir varmastjórnun á aflmiklum PCB-efnum. Auk bættrar varmaleiðni bjóða þessi efni upp á framúrskarandi vélræna eiginleika sem hjálpa til við að bæta upp álagið sem safnast upp við endurteknar hitauppstreymi. Að auki hafa keramikefni lægra rafmagnstap sem starfar á tíðni allt að 10 GHz. Fyrir hærri tíðni er alltaf hægt að velja blendingsefni (eins og PTFE), sem bjóða upp á jafn lágt tap með hóflegri lækkun á hitaleiðni.

Því hærra sem varmaleiðni efnis er, því hraðar er varmaflutningurinn. Af því leiðir að málmar eins og ál, auk þess að vera léttari en keramik, bjóða upp á frábæra lausn til að flytja varma frá íhlutum. Ál er sérstaklega frábær leiðari, hefur framúrskarandi endingu, er endurvinnanlegt og er ekki eitrað. Þökk sé mikilli hitaleiðni, hjálpa málmlögin við að flytja hita fljótt um borðið. Sumir framleiðendur bjóða einnig upp á málmhúðuð PCB, þar sem bæði ytri lögin eru málmhúðuð, venjulega áli eða galvaniseruðu kopar. Frá sjónarhóli kostnaðar á þyngdareiningu er ál besti kosturinn, en kopar býður upp á meiri hitaleiðni. Ál er mikið notað til að smíða PCB sem styðja aflstóra LED (dæmi er sýnt á mynd 2), þar sem það er einnig sérstaklega gagnlegt fyrir getu þess til að endurkasta ljósinu frá undirlaginu.

   Málm PCB, einnig þekkt sem einangrandi málm hvarfefni (IMS), er hægt að lagskipa beint inn í PCB, sem leiðir til borðs með FR-4 hvarfefni og málmkjarna með eins-lags og tveggja laga tækni með dýptarstýringarleið, sem þjónar til að flytja varma frá íhlutum um borð og til minna mikilvægra svæða. Í IMS PCB er þunnt lag af varmaleiðandi en rafeinangrandi rafeinangrunarefni lagskipt á milli málmgrunns og koparþynnu. Koparþynnan er ætuð inn í æskilegt hringrásarmynstur og málmbotninn gleypir hita frá þessari hringrás í gegnum þunnt rafmagn.

Helstu kostir sem IMS PCB býður upp á eru eftirfarandi:

1. Hitaleiðni er umtalsvert meiri en venjulegt FR-4 coleiðbeiningar.

2. Rafmagnið er venjulega 5× til 10× varmaleiðandi en venjulegt epoxýgler.

3. Varmaflutningur er veldisvísis skilvirkari en í hefðbundnu PCB.

4. Fyrir utan LED tækni (upplýst skilti, skjáir og lýsing) eru IMS hringrásartöflur mikið notaðar í bílaiðnaðinum (framljós, vélstýring og vökvastýri), í rafeindatækni (DC aflgjafi, inverter og vélastýring) , í rofum og í hálfleiðara liðum.