Celotna industrija električne elektronike, vključno z aplikacijami in sistemi RF, ki vključujejo signale za visoke hitrosti, se giblje proti rešitvam, ki zagotavljajo vse bolj zapleteno funkcionalnost v vse manjših prostorih. Oblikovalci se soočajo z vedno bolj zahtevnimi izzivi pri izpolnjevanju zahtev velikosti sistema, teže in moči, vključno z učinkovitim toplotnim upravljanjem, ki pa se začne z oblikovanjem PCB.
Visoko integrirane naprave za aktivno napajanje (npr. mosfet transistorji) oddajajo velike količine toplote, ki zahtevajo PCB, ki lahko prenesejo toploto iz najbolj vročih komponent na tla ali površino pomivalnega korita za čim učinkovitejše delovanje. Toplotni stres je eden glavnih vzrokov izpada električne naprave, saj lahko povzroči degradacijo zmogljivosti in lahko celo povzroči okvaro sistema ali okvaro. Hitra rast gostote moči naprave in naraščajoča frekvenca sta glavna vzroka za se gretje v elektronskih komponentah. Medtem ko se polprevodniki z nižjo izgubo moči in boljšo toplotno prevodnostjo, kot so široki pasovni materiali, vse bolj obširno uporabljajo, sami po sebi ne zadostujejo za odpravo potrebe po učinkovitem toplotnem upravljanju.
Trenutne napajalne naprave na osnovi silicija lahko dosežemo pri temperaturah križišča med približno 125 °C in 200°C. Vendar pa je zaželeno, da naprava vedno dovoli delovanje brez preseganja tega omejevalnega stanja, s čimer se izognemo hitremu staranju naprave in skrajšanju njene preostale življenjske dobe. Dejansko se ocenjuje, da če nepravilno toplotno upravljanje vodi do povečanja obratovalne temperature za 20 °C, bo posledično zmanjšanje preostale življenjske dobe komponente kar 50%.
Metodologija oživanja postavitve (postavitev)
Pogosta metoda toplotnega upravljanja, ki se uporablja v številnih projektih, je uporaba standardnega ognjevarnega substrata razreda 4 (FR-4), ki je poceni in enostaven za obdelavo materiala, ki se osredotoča na toplotno optimizacijo postavitve vezja.
Glavni uporabljeni ukrepi vključujejo zagotavljanje dodatnih bakrenih površin, uporabo debelejših poravnav in vstavljanje toplotnih ponorov pod komponente, ki ustvarjajo največ toplote. Bolj radikalna tehnika za disipatiranje več toplote vključuje vstavljanje ali nanos pravega bakrenega bloka na PCB ali na najbolj oddaljen sloj, ki je običajno v obliki kovanca, od tod ime "baker kovanec". Po ločeni obdelavi bakrenega kovanca ga je mogoče spajkati ali neposredno pritrditi na PCB, lahko pa ga vstavite v notranji sloj in preko toplotnega korita priključite na notranji sloj. PCB, prikazan na sliki 1, je izdelan v posebni votlini za namestitev bakrenega kovanca.
Baker ima toplotno prevodnost 380 W/mK, v primerjavi z 225 W/mK za aluminij in 0,3 W/mK za FR-4. Baker je razmeroma poceni kovina, ki se je pogosto uporabljala v proizvodnji PCB; zato je idealen za izdelavo bakrenih kovancev, toplotnih pomivalnih lukenj in zemeljskih plasti - vse rešitve, ki izboljšujejo toplotno disipacijo.
Pravilna postavitev aktivnih naprav na tablo je ključni dejavnik pri preprečevanju nastajanja vročih točk, s čimer se zagotovi čim bolj enakomerna porazdelitev toplote po plošči. V zvezi s tem je treba aktivne naprave posebej razporediti po PCB, s čimer bi se izognili nastanek vročih točk na določenih področjih. Vendar se je najbolje izogniti umeščanju aktivnih naprav, ki ustvarjajo veliko toplote blizu roba plošče. Namesto tega jih je treba čim bolj približati središču table in tako olajšati enotno porazdelitev toplote. Če so naprave z visoko močjo nameščene blizu roba plošče, se bodo kopičile toplote na robu in s tem povečale lokalno temperaturo. Po drugi strani, če se postavijo v bližini središča plošče, bo toplota porazdeljena v vse smeri vzdolž površine, kar bo olajšalo zmanjšanje temperature in olajšalo distribucijo toplote. Naprave za napajanje ne smejo biti blizu občutljivih komponent in jih je treba ustrezno preslediti med seboj.
Ukrepe, sprejete na ravni postavitve, je mogoče dodatno izboljšati z uporabo aktivnih hladilnih in pasivnih hladilnih sistemov (kot so toplotni koriti ali ventilatorji) - takšni sistemi lahko odstranijo toploto iz aktivnih naprav, namesto da jo oddajajo neposredno v ploščo. Na splošno morajo oblikovalci najti pravi kompromis med različnimi strategijami za toplotno upravljanje, odvisno od zahtev določene uporabe in razpoložljivega proračuna.
Izbira podstrata PCB
FR-4 običajno ni primeren za aplikacije, ki zahtevajo razgradnja velikih količin toplote zaradi nizke toplotne prevodnosti (med 0,2 in 0,5 W/mK). Toplota, ustvarjena v visokomočnih tokokrogah, je lahko precejšnja, in ti sistemi pogosto delujejo v oljnih okoljih in ekstremnih temperaturah. Uporaba nadomestnega substratnega materiala z višjo toplotno prevodnostjo je lahko boljša izbira kot uporaba tradicionalneGA FR-4.
Keramični materiali, na primer, ponujajo znatne prednosti za toplotno upravljanje pcB-jev z visoko močjo. Takšni materiali imajo poleg izboljšanja toplotne prevodnosti tudi odlične mehanske lastnosti in tako pomagajo kompenzacijo stresov, ki se nabirajo med večkratnim toplotnim kolesarjenjem. Poleg tega imajo keramični materiali nizko dielektrično izgubo pri frekvencah do 10 GHz. Pri višjih frekvencah je vedno mogoče izbrati hibridne materiale (npr. PTFE), ki zagotavljajo enake nizke izgube, vendar z zmernim zmanjšanjem toplotne prevodnosti.
Višja kot je toplotna prevodnost materiala, hitrejši je prenos toplote. Tako kovine, kot je aluminij, poleg tega, da so lažje od keramike, ponujajo odlično rešitev za prenos toplote stran od komponent. Predvsem aluminij je odličen vodnik, ima odlično vzdržljivost, je recikliran, in je nestrupen. Zaradi visoke toplotne prevodnosti kovinski sloj pomaga hitro prenašati toploto po celotni plošči. Nekateri proizvajalci ponujajo tudi kovinsko obložene PCB-je, kjer sta obe plasti kovinsko obloženi, običajno aluminijasti ali pocinkani baker. Aluminij je najboljša izbira iz perspektive stroškov na težo, medtem ko ima baker višjo toplotno prevodnost. Aluminij se pogosto uporablja tudi za izdelovanje PCB-jev, ki podpirajo visokomočne SID (kot je prikazano na sliki 2), kjer je še posebej uporabna njegova sposobnost odseva svetlobe stran od substrata.
Tudi srebro se zaradi toplotne prevodnosti, ki je približno 5% višja od bakra, lahko uporabi tudi za ustvarjanje poravnav, vial, blazin in kovinskih plasti. Poleg tega, če se deska uporablja v vlažnem okolju, kjer obstajajo strupene pline, bo uporaba srebrnih konjev na golih bakrenih poravnavah in blazinicah z bakernimi spajkami pomagala preprečiti korozijo - tipično grožnjo, znano v takšnih okoljih.
Kovinske PCB, znane tudi kot izolirani kovinski substrati (IMS), se lahko laminirane neposredno v PCB tvorijo plošče s FR-4 substrati in kovinska jedra. Uporabljajo se tehnologije z enojnimi in dvojnimi plastmi, z globinsko krmiljenim nažigalnikom, pri čemer se lahko toplota prenese iz sestavnih delov na krovu na manj kritična območja. V IMS PCB je tanka plast termo prevodnega, a električno izolacijskega dielektrika laminirana med kovinsko substrat in bakreno folijo. Bakrena folija je vdrkana v želeni vzorec vezja in kovinski substrat absorbira toploto iz vezja skozi to tanko dielektriko.
Glavne prednosti, ki jih ponujajo IMS PCB so naslednje.
-Bistveno višja toplotna disipacija kot standardne konstrukcije FR-4.
-Toplotna prevodnost dielektrika je običajno 5 do 10-krat višja od običajnega epoksi stekla.
-Učinkovitost prenosa toplote je veliko višja od učinkovitosti običajnih PCB.
Poleg LED tehnologije (osvetljene znake, zaslone in razsvetljavo) se PCB-ji IMS pogosto uporabljajo v avtomobilski industriji (žarometi, krmilniki motorja in krmiljenje moči), napajalna elektronika (enosmerni napajalniki, pretvorniki in krmilniki motorja), stikala in polprevodniški releji.