Yüksek Güçlü PCB'lerin Termal Yönetimine Bir Yaklaşım

   Tasarımcılar, PCB tasarımından başlayarak etkili termal yönetimi içeren güç gereksinimlerini karşılarken karmaşık sorunlarla karşılaşırlar.

     RF uygulamaları ve yüksek hızlı sinyaller içeren sistemler dahil olmak üzere tüm güç elektroniği sektörü, giderek küçülen alanlarda giderek daha karmaşık işlevler sunan çözümlere doğru evriliyor. Tasarımcılar, baskılı devre kartının tasarımından başlayarak etkili termal yönetimi içeren sistem boyutu, ağırlığı ve güç gereksinimlerini karşılamak için giderek daha zorlu zorluklarla karşı karşıya kalıyor.

  MOSFET transistörleri gibi yüksek entegrasyon yoğunluklu aktif güç cihazları, önemli miktarda ısı dağıtabilir ve bu nedenle, ısıyı en sıcak bileşenlerden yer düzlemlerine veya ısı yayan yüzeylere aktarabilen, mümkün olduğunca verimli ve etkili bir şekilde çalışan PCB'ler gerektirir. Termal stres, performansın düşmesine ve hatta sistemin olası bir arızasına veya arızasına yol açtığından, güç cihazlarının arızalanmasının ana nedenlerinden biridir. Cihazların güç yoğunluğunun hızla artması ve frekansların sürekli artması elektronik bileşenlerin aşırı ısınmasına neden olan başlıca nedenlerdir. Güç kayıpları azaltılmış ve geniş bant aralıklı malzemeler gibi daha iyi termal iletkenliğe sahip yarı iletkenlerin giderek yaygınlaşan kullanımı, etkin termal yönetim ihtiyacını ortadan kaldırmak için tek başına yeterli değildir.

    Mevcut silikon tabanlı güç cihazları, yaklaşık 125˚C ile 200˚C arasında bir bağlantı sıcaklığına ulaşır. Bununla birlikte, cihazın hızlı bir şekilde bozulmasına ve kalan ömrünün kısalmasına neden olacağından, cihazı bu sınırın altında çalıştırmak her zaman tercih edilir. Aslında, yanlış termal yönetimin neden olduğu çalışma sıcaklığındaki 20˚C'lik bir artışın bileşenlerin kalan ömrünü yüzde 50'ye kadar azaltabileceği tahmin edilmektedir.

Düzen yaklaşımı:

  Birçok projede yaygın olarak izlenen bir termal yönetim yaklaşımı, devre düzeninin termal optimizasyonuna odaklanan ucuz ve kolayca işlenebilir bir malzeme olan standart Alev Geciktirici Seviye 4 (FR-4) içeren alt tabakaları kullanmaktır.

Kabul edilen başlıca önlemler, ek bakır yüzeylerin sağlanması, daha büyük kalınlıktaki izlerin kullanılması ve en fazla miktarda ısı üreten bileşenlerin altına termal yol eklenmesi ile ilgilidir. Daha fazla miktarda ısı dağıtabilen daha agresif bir teknik, PCB'ye yerleştirmeyi veya en dıştaki katmanlara tipik olarak madeni para şeklinde gerçek bakır bloklar uygulamayı içerir (dolayısıyla "bakır madeni paralar" adı verilir). Bakır madeni paralar ayrı ayrı işlenir ve daha sonra lehimlenir veya doğrudan PCB'ye bağlanır veya iç katmanlara yerleştirilebilir ve termal yollarla dış katmanlara bağlanabilir. Şekil 1, bir bakır madeni parayı barındırmak için özel bir oyuğun yapıldığı bir PCB'yi göstermektedir.

  Alüminyum için 225 W/mK ve FR-4 için 0,3 W/mK ile karşılaştırıldığında, bakırın termal iletkenlik katsayısı 380 W/mK'dir. Bakır nispeten ucuz bir metaldir ve halihazırda PCB üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır; bu nedenle bakır madeni paralar, termal geçişler ve yer düzlemleri yapmak için ideal seçimdir; tümü ısı dağılımını iyileştirebilen çözümlerdir.

   Aktif bileşenlerin levha üzerinde doğru konumlandırılması, sıcak noktaların oluşumunu önlemede ve böylece ısının tüm levha boyunca mümkün olduğunca eşit bir şekilde dağılmasını sağlamada çok önemli bir faktördür. Bu bağlamda, belirli bir alanda sıcak noktaların oluşmasını önlemek için aktif bileşenler PCB çevresinde belirli bir sırada dağıtılmamalıdır. Ancak, önemli miktarda ısı üreten aktif bileşenleri kartın kenarlarına yakın bir yere yerleştirmekten kaçınmak daha iyidir. Tersine, eşit bir ısı dağılımını desteklemek için levhanın merkezine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidirler. Kartın kenarına yüksek güçlü bir cihaz monte edilirse, kenarda ısı oluşturarak yerel sıcaklığı yükseltir. Öte yandan, tahtanın merkezine yakın yerleştirilirse, ısı yüzeyde her yöne dağılır, sıcaklık düşer ve ısı daha kolay dağılır. Güç cihazları hassas bileşenlerin yakınına yerleştirilmemeli ve birbirlerinden uygun şekilde yerleştirilmelidir.

PCB substrat seçimi:

{{0}},2 ve 0,5 W/mK arasında olan düşük termal iletkenliği nedeniyle, FR-4 genellikle büyük miktarda ısının dağıtılması gereken uygulamalar için uygun değildir. Yüksek güçlü devrelerde birikebilen ısı, bu sistemlerin genellikle zorlu ortamlarda ve aşırı sıcaklıklarda çalıştığı gerçeğiyle birleşerek oldukça fazladır. Daha yüksek termal iletkenliğe sahip alternatif bir alt tabaka malzemesi kullanmak, geleneksel FR-4 kullanmaktan daha iyi bir seçim olabilir.

    Örneğin seramik malzemeler, yüksek güçlü PCB'lerin termal yönetimi için önemli avantajlar sunar. Geliştirilmiş termal iletkenliğe ek olarak, bu malzemeler, tekrarlanan termal döngü sırasında biriken gerilimi telafi etmeye yardımcı olan mükemmel mekanik özellikler sunar. Ek olarak, seramik malzemeler 10 GHz'e kadar olan frekanslarda çalışırken daha düşük dielektrik kayıplarına sahiptir. Daha yüksek frekanslar için, ısıl iletkenlikte mütevazı bir azalma ile eşit derecede düşük kayıplar sunan hibrit malzemeleri (PTFE gibi) tercih etmek her zaman mümkündür.

Bir malzemenin termal iletkenliği ne kadar yüksek olursa, ısı transferi o kadar hızlı olur. Alüminyum gibi metallerin seramikten daha hafif olmasının yanı sıra ısıyı bileşenlerden uzaklaştırmak için mükemmel bir çözüm sunduğu sonucu çıkar. Alüminyum özellikle mükemmel bir iletkendir, mükemmel dayanıklılığa sahiptir, geri dönüştürülebilir ve toksik değildir. Metal katmanlar, yüksek termal iletkenlikleri sayesinde ısının pano boyunca hızlı bir şekilde aktarılmasına yardımcı olur. Bazı üreticiler ayrıca metal kaplı PCB'ler de sunar, burada her iki dış katman da metal kaplıdır, tipik olarak alüminyum veya galvanizli bakırdır. Birim ağırlık başına maliyet açısından, alüminyum en iyi seçimdir, bakır ise daha yüksek termal iletkenlik sunar. Alüminyum, yüksek güçlü LED'leri destekleyen PCB'lerin yapımında yaygın olarak kullanılır (Şekil 2'de bir örnek gösterilmektedir), burada ışığı alt tabakadan uzağa yansıtma özelliği açısından da özellikle yararlıdır.

   Yalıtkan metal alt tabakalar (IMS) olarak da bilinen metal PCB'ler doğrudan PCB'ye lamine edilebilir, bu da FR-4 alt tabakalara ve derinlik kontrollü yönlendirmeye sahip tek katmanlı ve çift katmanlı teknolojiye sahip metal çekirdeğe sahip bir kartla sonuçlanır, ısıyı yerleşik bileşenlerden uzaklaştırmaya ve daha az kritik alanlara aktarmaya hizmet eder. IMS PCB'lerde, bir metal taban ile bir bakır folyo arasına ince bir termal olarak iletken ancak elektriksel olarak yalıtkan dielektrik tabakası lamine edilir. Bakır folyo, istenen devre modeline kazınır ve metal taban, ince dielektrik aracılığıyla bu devreden gelen ısıyı emer.

IMS PCB'lerinin sunduğu başlıca avantajlar şunlardır:

1. Isı dağılımı, standart FR-4 co'dan önemli ölçüde daha yüksektirtalimatlar.

2. Dielektrikler tipik olarak normal epoksi camdan 5x ila 10x daha termal olarak iletkendir.

3. Termal transfer, geleneksel bir PCB'den katlanarak daha verimlidir.

4. LED teknolojisinin (aydınlatmalı işaretler, ekranlar ve aydınlatma) yanı sıra, IMS devre kartları otomotiv endüstrisinde (farlar, motor kontrolü ve hidrolik direksiyon), güç elektroniğinde (DC güç kaynağı, invertörler ve motor kontrolü) yaygın olarak kullanılmaktadır. , anahtarlarda ve yarı iletken rölelerde.