Управление температурным режимом мощных печатных плат
Проектировщики сталкиваются со сложными проблемами при удовлетворении требований к электропитанию, которые включают в себя эффективное управление температурным режимом, начиная с проектирования печатных плат. Весь сектор силовой электроники, включая радиочастотные приложения и системы, использующие высокоскоростные сигналы, развивается в сторону решений, которые предлагают все более сложные функциональные возможности. -меньшие площади. Проектировщики сталкиваются со все более сложными задачами по обеспечению требований к размеру, весу и мощности системы, которые включают в себя 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, следовательно, требуют печатных плат, которые могут передавать тепло от самых горячих компонентов к заземленным слоям или теплорассеивающим поверхностям, работая максимально эффективно и действенно. Термический стресс является одной из основных причин неисправности силовых устройств, так как приводит к ухудшению производительности или даже возможному сбою или выходу из строя системы. Быстрый рост удельной мощности устройств и постоянное увеличение частот являются основными причинами, вызывающими чрезмерный нагрев электронных компонентов. Все более широкое использование полупроводников с уменьшенными потерями мощности и лучшей теплопроводностью, таких как широкозонные материалы, само по себе недостаточно для устранения необходимости эффективного управления температурой.
Современные силовые устройства на основе кремния достигают температуры перехода примерно от 125°C до 200°C. Однако всегда предпочтительнее заставить устройство работать ниже этого предела, поскольку это приведет к его быстрой деградации и сокращению его остаточного срока службы. Фактически, было подсчитано, что повышение рабочей температуры на 20˚C, вызванное неправильным управлением температурным режимом, может сократить остаточный срок службы компонентов до 50 процентов.
Подход к макету:
Подход к управлению температурным режимом, обычно используемый во многих проектах, заключается в использовании подложек со стандартным уровнем огнестойкости 4 (FR-4), недорогого и легко поддающегося обработке материала, с упором на термическую оптимизацию схемы схемы.
Основные принятые меры касаются обеспечения дополнительных медных поверхностей, использования дорожек большей толщины и установки тепловых переходов под компонентами, генерирующими наибольшее количество тепла. Более агрессивный метод, способный рассеивать большее количество тепла, включает в себя вставку в печатную плату или нанесение на 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 их можно вставлять во внутренние слои и соединять с внешними слоями через тепловые переходы. На рисунке 1 показана печатная плата, в которой сделана специальная полость для размещения медной монеты.
Коэффициент теплопроводности меди составляет 380 Вт/мК по сравнению с 225 Вт/мК для алюминия и 0,3 Вт/мК для FR-4. Медь — относительно дешевый металл, который уже широко используется в производстве печатных плат; поэтому 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 предотвращения образования горячих точек и обеспечения максимально равномерного распределения тепла по всей плате. В связи с этим активные компоненты следует распределять по печатной плате в произвольном порядке, чтобы избежать образования горячих точек в определенной области. Однако лучше избегать размещения активных компонентов, выделяющих значительное количество тепла, вблизи краев платы. И наоборот, их следует располагать как можно ближе к центру платы, чтобы обеспечить равномерное распределение тепла. Если устройство высокой мощности установлено рядом с краем платы, оно будет накапливать тепло на краю, повышая локальную температуру. С другой стороны, если он расположен ближе к центру доски, тепло будет рассеиваться по поверхности во всех направлениях, снижая температуру и облегчая рассеивание тепла. Силовые устройства не следует размещать рядом с чувствительными компонентами и следует располагать на достаточном расстоянии друг от друга.
Выбор подложки печатной платы:
Из-за своей низкой теплопроводности — от {{0}},2 до 0,5 Вт/мК — FR-4 обычно не подходит для применений, в которых необходимо рассеивать большое количество тепла. Тепло, которое может накапливаться в мощных цепях, 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.
Например, керамические материалы предлагают значительные преимущества для управления температурным режимом мощных печатных плат. Помимо улучшенной теплопроводности, эти материалы обладают превосходными механическими свойствами, которые помогают компенсировать напряжения, накопленные 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 одинаково низкие потери при небольшом снижении теплопроводности.
Чем выше теплопроводность материала, тем быстрее происходит передача тепла. Отсюда следует, что такие металлы, как алюминий, не только легче керамики, но и являются отличным решением для отвода тепла от компонентов. Алюминий, в частности, является отличным проводником, обладает превосходной долговечностью, пригоден для вторичной переработки и не токсичен. 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 из алюминия или оцинкованной меди. С точки зрения стоимости единицы веса алюминий является лучшим выбором, а медь обеспечивает более высокую теплопроводность. Алюминий широко используется для изготовления печатных плат, поддерживающих мощные светодиоды (пример показан на рисунке 2), в которых он также особенно полезен благодаря своей способности отражать свет от подложки.
Металлические печатные платы, также известные как изолирующие металлические подложки (IMS), можно ламинировать непосредственно в печатную плату, в результате чего получается плата с подложками FR-4 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 теплопроводящего, но электроизолирующего диэлектрика ламинируется между металлической основой и медной фольгой. Медная фольга вытравливается в желаемый рисунок схемы, а металлическое основание поглощает тепло от этой схемы через тонкий диэлектрик.
Основными преимуществами печатных плат IMS являются следующие:
1. Тепловыделение значительно выше, чем у стандартных конструкций FR-4.
2. Диэлектрики обычно в 5–10 раз более теплопроводны, чем обычное эпоксидное стекло.
3. Теплопередача экспоненциально более эффективна, чем в обычной печатной плате.
4. Помимо светодиодной технологии (световые знаки, дисплеи и освещение), платы IMS широко используются в автомобильной промышленности (фары, управление двигателем и гидроусилитель руля), в силовой электронике (источники питания постоянного тока, инверторы и управление двигателем). , в переключателях и полупроводниковых реле.
