Hele kraftelektronikkindustrien, inkludert RF-applikasjoner og systemer som involverer høyhastighetssignaler, beveger seg mot løsninger som gir stadig mer kompleks funksjonalitet i stadig mindre rom. Designere står overfor stadig mer krevende utfordringer med å møte kravene til systemstørrelse, vekt og effekt, inkludert effektiv termisk styring, som igjen begynner med utformingen av PCB.
Svært integrerte aktive kraftenheter (f.eks. MOSFET-transistorer) avgir store mengder varme, og krever PCB som kan overføre varme fra de varmeste komponentene til bakken eller varmeavlederoverflaten for å fungere så effektivt som mulig. Termisk stress er en av hovedårsakene til feil på strømenheten, siden det kan føre til ytelsesforringelse og til og med føre til systemfeil eller funksjonsfeil. Den raske veksten av enhetens strømtetthet og økende frekvens er hovedårsakene til overoppheting i elektroniske komponenter. Mens halvledere med lavere effekttap og bedre termisk ledningsevne, som bredbåndsmaterialer, brukes mer og mer omfattende, er de ikke tilstrekkelige i seg selv til å eliminere behovet for effektiv termisk styring.
Nåværende silisiumbaserte kraftenheter kan oppnås ved overgangstemperaturer mellom ca. 125 grader og 200 grader. Det er imidlertid ønskelig å alltid la anordningen virke uten å overskride denne begrensende betingelsen, og dermed unngå rask aldring av anordningen og forkorte dens gjenværende levetid. Faktisk er det anslått at hvis feil termisk styring fører til en 20 graders økning i driftstemperaturen, vil den resulterende reduksjonen i gjenværende levetid for komponenten være så mye som 50 prosent.
Layout Kabling (layout) Metodikk
En vanlig termisk styringsmetode som brukes i mange prosjekter er bruken av et standard flammehemmende klasse 4 (FR-4) substrat, som er et rimelig og enkelt å behandle materiale som fokuserer på termisk optimalisering av kretsoppsettet.
De viktigste tiltakene som brukes innebærer å tilveiebringe ekstra kobberoverflater, bruke tykkere justeringer og sette inn kjøleribber under komponentene som genererer mest varme. En mer radikal teknikk for å spre mer varme innebærer å sette inn eller påføre en ekte kobberblokk på PCB eller på det ytterste laget, som vanligvis er i form av en mynt, derav navnet "kobbermynt". Etter å ha behandlet kobbermynten separat, kan den loddes eller festes direkte til PCB-en, eller den kan settes inn i det indre laget og kobles til det ytre laget gjennom kjøleribben. PCB vist i figur 1 er laget i et spesielt hulrom for å romme en kobbermynt.
Kobber har en termisk ledningsevne på 380 W/mK, sammenlignet med 225 W/mK for aluminium og 0,3 W/mK for FR-4. Kobber er et relativt billig metall som har vært mye brukt i PCB-produksjon; derfor er den ideell for å lage kobbermynter, varmeavlederhull og jordlag - alle løsninger som forbedrer varmeavledningen.
Riktig plassering av aktive enheter på brettet er en nøkkelfaktor for å forhindre at hot spots dannes, og dermed sikre at varmen fordeles så jevnt som mulig over hele brettet. I denne forbindelse bør de aktive enhetene fordeles rundt PCB-en i ingen spesiell rekkefølge, og dermed unngå dannelsen av hot spots i bestemte områder. Det er imidlertid best å unngå å plassere aktive enheter som genererer mye varme nær kanten av brettet. I stedet bør de plasseres så nært som mulig til midten av brettet, og dermed lette en jevn varmefordeling. Hvis enheter med høy effekt er installert nær kanten av brettet, vil de akkumulere varme ved kanten, og dermed øke den lokale temperaturen. På den annen side, hvis de plasseres nær midten av brettet, vil varmen fordeles i alle retninger langs overflaten, noe som gjør det lettere å redusere temperaturen og gjøre det lettere å fordele varmen. Strømenheter bør ikke plasseres i nærheten av sensitive komponenter og bør ha riktig avstand fra hverandre.
Tiltak som er tatt på layoutnivå kan forbedres ytterligere ved å bruke aktive kjøle- og passive kjølesystemer (som kjøleribber eller vifter) - slike systemer kan fjerne varme fra aktive enheter, i stedet for å avgi den direkte inn i brettet. Generelt må designere finne det riktige kompromisset mellom ulike termiske styringsstrategier, avhengig av kravene til den aktuelle applikasjonen og tilgjengelig budsjett.
Valg av PCB-substrat
FR{{0}} er vanligvis ikke egnet for applikasjoner som krever spredning av store mengder varme på grunn av dens lave varmeledningsevne (mellom 0.2 og 0,5 W/mK). Varmen som genereres i kretser med høy effekt kan være betydelig, og disse systemene fungerer ofte i tøffe miljøer og ekstreme temperaturer. Å bruke et alternativt substratmateriale med høyere varmeledningsevne kan være et bedre valg enn å bruke tradisjonell FR-4.
Keramiske materialer, for eksempel, gir betydelige fordeler for termisk styring av høyeffekts PCB. Slike materialer, i tillegg til å forbedre termisk ledningsevne, har også utmerkede mekaniske egenskaper og bidrar dermed til å kompensere for spenningene som akkumuleres under gjentatt termisk syklus. I tillegg har keramiske materialer et lavt dielektrisk tap ved frekvenser opp til 10 GHz. For høyere frekvenser er det alltid mulig å velge hybridmaterialer (f.eks. PTFE), som gir samme lave tap men med moderat reduksjon i varmeledningsevne.
Jo høyere varmeledningsevne materialet har, desto raskere går varmeoverføringen. Derfor, i tillegg til å være lettere enn keramikk, tilbyr metaller som aluminium en utmerket løsning for å overføre varme bort fra komponenter. Spesielt aluminium er også en utmerket leder, har utmerket holdbarhet, er resirkulerbar og er giftfri. På grunn av sin høye varmeledningsevne hjelper metalllaget til å overføre varme raskt gjennom brettet. Noen produsenter tilbyr også metallkledde PCB der begge ytre lag er metallkledde, vanligvis aluminium eller galvanisert kobber. Aluminium er det beste valget fra et kostnad-per-vekt-perspektiv, mens kobber har en høyere varmeledningsevne. Aluminium er også mye brukt til å lage PCB-er som støtter høyeffekts-LED (som vist i eksempelet i figur 2), hvor evnen til å reflektere lys bort fra underlaget også er spesielt nyttig.
Selv sølv, på grunn av sin varmeledningsevne på omtrent 5 prosent høyere enn kobber, kan også brukes til å lage justeringer, vias, pads og metalllag. I tillegg, hvis brettet brukes i et fuktig miljø der giftige gasser finnes, vil bruk av sølvfinish på blanke kobberlinjer og kobberloddeputer bidra til å forhindre korrosjon - en typisk trussel kjent i slike miljøer.
Metall-PCB, også kjent som isolerte metallsubstrater (IMS), kan lamineres direkte inn i PCB-en for å danne plater med FR-4-substrater og metallkjerner. Enkelt- og dobbeltlagsteknologier brukes, med dybdekontrollerte ledninger, der varme kan overføres fra komponenter ombord til mindre kritiske områder. I IMS PCB er et tynt lag med termisk ledende, men elektrisk isolerende dielektrikum laminert mellom et metallsubstrat og en kobberfolie. Kobberfolien etses inn i ønsket kretsmønster og metallsubstratet absorberer varme fra kretsen gjennom dette tynne dielektrikumet.
De viktigste fordelene som tilbys av IMS PCB er som følger.
- Betydelig høyere varmespredning enn standard FR-4-strukturer.
-Den termiske ledningsevnen til dielektrikumet er typisk 5 til 10 ganger høyere enn for vanlig epoksyglass.
- Effektiviteten til varmeoverføring er mye høyere enn for konvensjonelle PCB.
I tillegg til LED-teknologi (lysskilt, display og belysning), er IMS PCB mye brukt i bilindustrien (frontlykter, motorkontroller og servostyring), kraftelektronikk (DC-strømforsyninger, invertere og motorkontroller), brytere og halvlederreleer .