A teljes teljesítményelektronikai ipar, beleértve a rádiófrekvenciás alkalmazásokat és a nagysebességű jeleket használó rendszereket is, olyan megoldások felé halad, amelyek egyre bonyolultabb funkcionalitást biztosítanak az egyre kisebb helyeken. A tervezőknek egyre nagyobb kihívásokkal kell szembenézniük a rendszerméret, tömeg és teljesítmény követelményeinek teljesítése terén, beleértve a hatékony hőkezelést is, amely viszont a nyomtatott áramköri lap tervezésével kezdődik.
A magasan integrált aktív teljesítményű eszközök (pl. MOSFET tranzisztorok) nagy mennyiségű hőt bocsátanak ki, ezért a lehető leghatékonyabb működéshez olyan PCB-kre van szükség, amelyek a legforróbb alkatrészekről a hőt a talajra vagy a hűtőborda felületére tudják továbbítani. A hőfeszültség az egyik fő oka a tápegység meghibásodásának, mivel ez teljesítménycsökkenést, sőt rendszerhibát vagy hibás működést is okozhat. Az elektronikus alkatrészek túlmelegedésének fő oka az eszközök teljesítménysűrűségének gyors növekedése és a frekvencia növekedése. Míg a kisebb teljesítményveszteséggel és jobb hővezető képességgel rendelkező félvezetőket, például a szélessávú anyagokat egyre szélesebb körben használják, önmagukban nem elegendőek a hatékony hőkezelés szükségességének megszüntetéséhez.
A jelenlegi szilícium alapú tápegységek körülbelül 125 és 200 fok közötti csatlakozási hőmérsékleten érhetők el. Mindazonáltal kívánatos, hogy a készülék mindig működjön anélkül, hogy túllépné ezt a korlátozó feltételt, elkerülve ezzel az eszköz gyors elöregedését és lerövidítve hátralévő élettartamát. Valójában a becslések szerint, ha a nem megfelelő hőkezelés 20 fokkal növeli az üzemi hőmérsékletet, akkor az alkatrész hátralévő élettartama akár 50 százalékkal is csökkenhet.
Elrendezés Bekötés (elrendezés) Módszertan
A sok projektben általánosan használt hőkezelési módszer a szabványos, 4-es osztályú (FR-4) égésgátló hordozó használata, amely egy olcsó és könnyen feldolgozható anyag, amely az áramköri elrendezés termikus optimalizálására összpontosít.
A főbb intézkedések közé tartozik a további rézfelületek kialakítása, vastagabb illesztések alkalmazása és hűtőbordák behelyezése a legtöbb hőt termelő alkatrészek alá. A több hő elvezetésére szolgáló radikálisabb technika magában foglalja egy valódi rézblokk behelyezését vagy felvitelét a nyomtatott áramköri lapra vagy a legkülső rétegre, amely általában érme alakú, innen ered a „rézérme” elnevezés. A rézérme külön feldolgozása után forrasztható vagy közvetlenül a NYÁK-ra erősíthető, vagy a belső rétegbe illesztve a hűtőbordán keresztül a külső réteghez csatlakoztatható. Az 1. ábrán látható NYÁK egy speciális üregben készül, hogy elférjen benne egy rézérme.
A réz hővezető képessége 380 W/mK, szemben az alumínium 225 W/mK és FR-4 0,3 W/mK értékével. A réz egy viszonylag olcsó fém, amelyet széles körben használnak a PCB-gyártásban; ezért ideális rézérmék, hűtőbordák és alaprétegek készítésére – mindez olyan megoldás, amely javítja a hőelvezetést.
Az aktív eszközök megfelelő elhelyezése a táblán kulcsfontosságú tényező a forró pontok kialakulásának megakadályozásában, így biztosítva a hő lehető legegyenletesebben történő eloszlását a táblán. Ebben a tekintetben az aktív eszközöket a NYÁK körül kell elosztani nem meghatározott sorrendben, így elkerülhető a forró pontok kialakulása bizonyos területeken. A legjobb azonban elkerülni, hogy a tábla széléhez közel helyezzenek olyan aktív eszközöket, amelyek sok hőt termelnek. Ehelyett a lehető legközelebb kell őket elhelyezni a tábla közepéhez, elősegítve ezzel az egyenletes hőelosztást. Ha a nagy teljesítményű eszközöket a tábla széléhez közel helyezik el, akkor a szélén felhalmozzák a hőt, ezáltal növelve a helyi hőmérsékletet. Másrészt, ha a tábla közepéhez közel helyezik el őket, a hő minden irányba eloszlik a felület mentén, így könnyebben csökkenthető a hőmérséklet, és könnyebb a hőelosztás. A tápegységeket nem szabad érzékeny alkatrészek közelébe helyezni, és megfelelő távolságra kell elhelyezni őket egymástól.
Az elrendezés szintjén tett intézkedések tovább javíthatók aktív hűtési és passzív hűtőrendszerek (például hűtőbordák vagy ventilátorok) alkalmazásával – az ilyen rendszerek el tudják távolítani a hőt az aktív eszközökről, nem pedig közvetlenül a táblába bocsátják ki. Általában a tervezőknek meg kell találniuk a megfelelő kompromisszumot a különböző hőkezelési stratégiák között, az adott alkalmazás követelményeitől és a rendelkezésre álló költségvetéstől függően.
PCB szubsztrát kiválasztása
Az FR{{0}} alacsony hővezető képessége miatt (0,2 és 0,5 W/mK között) jellemzően nem alkalmas olyan alkalmazásokhoz, ahol nagy mennyiségű hő elvezetésére van szükség. A nagy teljesítményű áramkörökben keletkező hő jelentős lehet, és ezek a rendszerek gyakran zord környezetben és szélsőséges hőmérsékleten működnek. Alternatív, nagyobb hővezető képességű hordozóanyag használata jobb választás lehet, mint a hagyományos FR-4 használata.
A kerámia anyagok például jelentős előnyöket kínálnak a nagy teljesítményű PCB-k hőkezelésében. Az ilyen anyagok amellett, hogy javítják a hővezető képességet, kiváló mechanikai tulajdonságokkal is rendelkeznek, és így segítenek kompenzálni az ismételt hőciklusok során felhalmozódott feszültségeket. Ezenkívül a kerámia anyagoknak alacsony a dielektromos vesztesége 10 GHz-ig terjedő frekvencián. A magasabb frekvenciákhoz mindig lehet választani hibrid anyagokat (pl. PTFE), amelyek ugyanolyan alacsony veszteséget biztosítanak, de a hővezető képesség mérsékelt csökkenésével.
Minél nagyobb az anyag hővezető képessége, annál gyorsabb a hőátadás. Így amellett, hogy könnyebbek, mint a kerámiák, az olyan fémek, mint az alumínium, kiváló megoldást kínálnak a hő elvezetésére az alkatrészektől. Különösen az alumínium kiváló vezető, kiváló a tartóssága, újrahasznosítható és nem mérgező. Magas hővezető képességének köszönhetően a fémréteg elősegíti a hő gyors átadását az egész táblán. Egyes gyártók fémbevonatú PCB-ket is kínálnak, ahol mindkét külső réteg fémbevonatú, általában alumínium vagy horganyzott réz. Az alumínium a legjobb választás súlyonkénti költség szempontjából, míg a réz hővezető képessége magasabb. Az alumíniumot széles körben használják nagy teljesítményű LED-eket támogató nyomtatott áramköri lapok előállítására is (amint az a 2. ábrán látható példában is látható), ahol az a képessége, hogy a fényt a hordozóról visszaveri, szintén különösen hasznos.
Még az ezüst is, mivel a hővezető képessége körülbelül 5 százalékkal magasabb, mint a réz, szintén használható igazítások, átmenetek, alátétek és fémrétegek létrehozására. Ezen túlmenően, ha a táblát nedves környezetben használják, ahol mérgező gázok vannak jelen, az ezüst bevonat használata a csupasz réz vonalvezetéseken és a réz forrasztóbetéteken segít megelőzni a korróziót – ez az ilyen környezetben ismert tipikus fenyegetés.
A fém PCB-ket, más néven szigetelt fémhordozókat (IMS), közvetlenül a PCB-be lehet laminálni, így FR{0}} hordozót és fémmagot tartalmazó táblákat lehet kialakítani. Egy- és kétrétegű technológiákat alkalmaznak, mélység-vezérelt vezetékezéssel, amellyel a fedélzeti alkatrészekről a hő a kevésbé kritikus területekre továbbítható. Az IMS PCB-kben egy vékony hővezető, de elektromosan szigetelő dielektrikum réteget laminálnak egy fémhordozó és egy rézfólia közé. A rézfóliát belemarják a kívánt áramköri mintába, és a fémhordozó ezen a vékony dielektrikumon keresztül elnyeli az áramkör hőjét.
Az IMS PCB-k által kínált fő előnyök a következők.
-Szignifikánsan nagyobb hőleadás, mint a szabványos FR-4 szerkezeteknél.
- A dielektrikum hővezető képessége jellemzően 5-10-szer nagyobb, mint a közönséges epoxiüvegé.
-A hőátadás hatásfoka jóval magasabb, mint a hagyományos PCB-ké.
A LED-technológia (világító táblák, kijelzők és világítás) mellett az IMS PCB-ket széles körben használják az autóiparban (fényszórók, motorvezérlők és szervokormány), a teljesítményelektronikában (egyenáramú tápegységek, inverterek és motorvezérlők), kapcsolók és félvezető relék. .