Подход к терморегулированию мощных печатных плат
Разработчики сталкиваются со сложными проблемами, связанными с соблюдением требований к питанию, включая эффективное управление температурным режимом, начиная с проектирования печатной платы.
Весь сектор силовой электроники, включая радиочастотные приложения и системы, использующие высокоскоростные сигналы, развивается в сторону решений, предлагающих все более сложные функции на все более тесных площадях. Разработчики сталкиваются со все более сложными задачами, связанными с соблюдением требований к размеру, весу и мощности системы, включая эффективное управление температурным режимом, начиная с проектирования печатной платы.
Устройства активной мощности с высокой плотностью интеграции, такие как MOSFET-транзисторы, могут рассеивать значительное количество тепла и поэтому требуют печатных плат, которые могут передавать тепло от самых горячих компонентов к заземляющим слоям или теплорассеивающим поверхностям, работая максимально эффективно и действенно. Термический стресс является одной из основных причин выхода из строя силовых устройств, так как приводит к ухудшению характеристик или даже к возможной неисправности или отказу системы. Быстрый рост удельной мощности устройств и постоянный рост частот являются основными причинами, вызывающими чрезмерный нагрев электронных компонентов. Все более широкое использование полупроводников с уменьшенными потерями мощности и лучшей теплопроводностью, таких как материалы с широкой запрещенной зоной, само по себе недостаточно для устранения необходимости в эффективном управлении температурой.
Современные силовые устройства на основе кремния достигают температуры перехода примерно от 125°C до 200°C. Однако всегда предпочтительнее, чтобы устройство работало ниже этого предела, так как это привело бы к его быстрой деградации и сокращению его остаточного срока службы. На самом деле было подсчитано, что повышение рабочей температуры на 20 °C, вызванное неправильным управлением температурным режимом, может сократить остаточный срок службы компонентов до 50 процентов.
Макетный подход:
Подход к управлению тепловым режимом, обычно применяемый во многих проектах, заключается в использовании подложек со стандартным уровнем огнестойкости 4 (FR-4), недорогого и легко обрабатываемого материала, с упором на тепловую оптимизацию схемы.
Основные принятые меры касаются обеспечения дополнительных медных поверхностей, использования дорожек большей толщины и установки тепловых переходов под компонентами, выделяющими наибольшее количество тепла. Более агрессивный метод, способный рассеивать большее количество тепла, включает в себя вставку в печатную плату или нанесение на самые внешние слои настоящих медных блоков, обычно в форме монеты (отсюда и название «медные монеты»). Медные монеты обрабатываются отдельно, а затем припаиваются или прикрепляются непосредственно к печатной плате, либо они могут быть вставлены во внутренние слои и соединены с внешними слоями через тепловые переходы. На рис. 1 показана печатная плата, в которой сделана специальная полость для размещения медной монеты.
Медь имеет коэффициент теплопроводности 380 Вт/мК по сравнению с 225 Вт/мК для алюминия и 0,3 Вт/мК для FR-4. Медь является относительно дешевым металлом и уже широко используется в производстве печатных плат; следовательно, это идеальный выбор для изготовления медных монет, тепловых переходов и заземляющих пластин — всех решений, способных улучшить рассеивание тепла.
Правильное расположение активных компонентов на плате является решающим фактором в предотвращении образования горячих точек, что обеспечивает максимально равномерное распределение тепла по всей плате. В связи с этим активные компоненты должны быть распределены по печатной плате в произвольном порядке, чтобы избежать образования горячих точек на определенном участке. Однако лучше избегать размещения активных компонентов, выделяющих значительное количество тепла, вблизи краев платы. И наоборот, они должны располагаться как можно ближе к центру доски, способствуя равномерному распределению тепла. Если рядом с краем платы установлено мощное устройство, оно будет накапливать тепло на краю, повышая местную температуру. Если, с другой стороны, он будет помещен рядом с центром доски, тепло будет рассеиваться по поверхности во всех направлениях, снижая температуру и легче рассеивая тепло. Силовые устройства не должны располагаться близко к чувствительным компонентам и должны находиться на соответствующем расстоянии друг от друга.
Выбор подложки для печатной платы:
Из-за своей низкой теплопроводности — от {{0}},2 до 0,5 Вт/мК — FR-4, как правило, не подходит для применений, в которых необходимо рассеять большое количество тепла. Тепло, которое может накапливаться в цепях большой мощности, является значительным, что усугубляется тем фактом, что эти системы часто работают в суровых условиях и при экстремальных температурах. Использование альтернативного материала подложки с более высокой теплопроводностью может быть лучшим выбором, чем использование традиционного FR-4.
Керамические материалы, например, предлагают значительные преимущества для регулирования температуры мощных печатных плат. В дополнение к улучшенной теплопроводности эти материалы обладают отличными механическими свойствами, которые помогают компенсировать напряжение, накопленное во время повторяющихся термоциклов. Кроме того, керамические материалы имеют меньшие диэлектрические потери, работая на частотах до 10 ГГц. Для более высоких частот всегда можно выбрать гибридные материалы (например, ПТФЭ), которые обеспечивают столь же низкие потери при умеренном снижении теплопроводности.
Чем выше теплопроводность материала, тем быстрее передается тепло. Отсюда следует, что такие металлы, как алюминий, помимо того, что они легче керамики, предлагают отличное решение для отвода тепла от компонентов. В частности, алюминий является отличным проводником, обладает отличной долговечностью, пригоден для вторичной переработки и нетоксичен. Благодаря высокой теплопроводности металлические слои помогают быстро передавать тепло по всей плате. Некоторые производители также предлагают печатные платы с металлическим покрытием, в которых оба внешних слоя покрыты металлом, обычно алюминием или оцинкованной медью. С точки зрения стоимости на единицу веса алюминий является лучшим выбором, а медь обеспечивает более высокую теплопроводность. Алюминий широко используется для изготовления печатных плат, поддерживающих мощные светодиоды (пример показан на рис. 2), в которых он также особенно полезен благодаря своей способности отражать свет от подложки.
Металлические печатные платы, также известные как изолирующие металлические подложки (IMS), могут быть ламинированы непосредственно в печатную плату, в результате чего получается плата с FR-4 подложками и металлическим сердечником с однослойной и двухслойной технологией с трассировкой с контролем глубины, который служит для передачи тепла от бортовых компонентов к менее важным областям. В печатных платах IMS тонкий слой теплопроводного, но электроизолирующего диэлектрика ламинирован между металлической основой и медной фольгой. Медная фольга вытравливается в желаемый рисунок схемы, а металлическая основа поглощает тепло этой схемы через тонкий диэлектрик.
Основные преимущества, предлагаемые печатными платами IMS, следующие:
1. Тепловыделение значительно выше, чем у стандартного FR-4 coинструкции.
2. Теплопроводность диэлектриков обычно в 5–10 раз выше, чем у обычного эпоксидного стекла.
3. Теплопередача экспоненциально более эффективна, чем в обычной печатной плате.
4. Помимо светодиодной технологии (световые вывески, дисплеи и освещение), печатные платы IMS широко используются в автомобильной промышленности (фары, управление двигателем и гидроусилителем руля), в силовой электронике (питание постоянного тока, инверторы и управление двигателем). , в переключателях и в полупроводниковых реле.
