Rheolaeth Thermol o PCBs Pŵer Uchel

Mae dylunwyr yn wynebu materion cymhleth wrth fodloni gofynion pŵer, sy'n cynnwys rheolaeth thermol effeithiol, gan ddechrau gyda dyluniad PCB. - mannau llai. Mae dylunwyr yn wynebu heriau cynyddol heriol i fodloni gofynion maint system, pwysau a phŵer, sy'n cynnwys rheolaeth thermol effeithiol, gan ddechrau gyda dyluniad y bwrdd cylched printiedig.

Gall dyfeisiau pŵer gweithredol integreiddio-dwysedd uchel, megis transistorau MOSFET, afradu llawer iawn o wres ac felly mae angen PCBs sy'n gallu trosglwyddo gwres o'r cydrannau poethaf i awyrennau daear neu arwynebau sy'n gwasgaru gwres, gan weithredu mor effeithlon ac effeithiol â phosibl. Straen thermol yw un o brif achosion camweithio dyfeisiau pŵer, gan ei fod yn arwain at ddirywiad mewn perfformiad neu hyd yn oed gamweithio posibl neu fethiant y system. Twf cyflym dwysedd pŵer dyfeisiau a'r cynnydd cyson mewn amlder yw'r prif resymau sy'n achosi gwresogi gormodol o gydrannau electronig. Nid yw'r defnydd cynyddol eang o lled-ddargludyddion gyda llai o golledion pŵer a gwell dargludedd thermol, megis deunyddiau band eang, ynddo'i hun yn ddigon i ddileu'r angen am reolaeth thermol effeithiol.

Mae dyfeisiau pŵer presennol sy'n seiliedig ar silicon yn cyflawni tymheredd cyffordd rhwng tua 125˚C a 200˚C. Fodd bynnag, mae bob amser yn well gwneud i'r ddyfais weithredu o dan y terfyn hwn, gan y byddai hyn yn arwain at ddiraddiad cyflym o'r un peth a gostyngiad yn ei oes weddilliol. Mewn gwirionedd, amcangyfrifwyd y gall cynnydd o 20˚C yn y tymheredd gweithredu, a achosir gan reolaeth thermol amhriodol, leihau bywyd gweddilliol y cydrannau hyd at 50 y cant.

Dull gosodiad:

Ymagwedd at reolaeth thermol a ddilynir yn gyffredin mewn llawer o brosiectau yw defnyddio swbstradau gyda lefel 4 gwrth-fflam safonol (FR-4), deunydd rhad a hawdd ei ddefnyddio, sy'n canolbwyntio ar optimeiddio thermol y cynllun cylched.

Mae'r prif fesurau a fabwysiadwyd yn ymwneud â darparu arwynebau copr ychwanegol, defnyddio olion â thrwch mwy, a gosod thermol trwy dan y cydrannau sy'n cynhyrchu'r gwres mwyaf. Mae techneg fwy ymosodol, sy'n gallu gwasgaru mwy o wres, yn cynnwys gosod blociau copr go iawn i'r PCB neu osod ar yr haenau mwyaf allanol, fel arfer ar ffurf darn arian (a dyna pam yr enw "darnau arian copr"). Mae'r darnau arian copr yn cael eu prosesu ar wahân ac yna'n cael eu sodro neu eu cysylltu'n uniongyrchol â'r PCB, neu gellir eu gosod yn yr haenau mewnol a'u cysylltu â'r haenau allanol trwy gyfrwng thermol. Mae Ffigur 1 yn dangos PCB lle mae ceudod arbennig wedi'i wneud i gartrefu darn arian copr.

Mae gan gopr gyfernod dargludedd thermol o 380 W/mK, o gymharu â 225 W/mK ar gyfer alwminiwm ac i 0.3 W/mK ar gyfer FR-4. Mae copr yn fetel cymharol rad ac eisoes yn cael ei ddefnyddio'n helaeth mewn gweithgynhyrchu PCB; felly, dyma'r dewis delfrydol ar gyfer gwneud darnau arian copr, vias thermol, ac awyrennau daear, pob ateb sy'n gallu gwella afradu gwres.

Mae lleoliad cywir y cydrannau gweithredol ar y bwrdd yn ffactor hanfodol wrth atal ffurfio mannau poeth, a thrwy hynny sicrhau bod gwres yn cael ei ddosbarthu mor gyfartal â phosibl ar hyd y bwrdd cyfan. Yn hyn o beth, ni ddylid dosbarthu'r cydrannau gweithredol mewn unrhyw drefn benodol o amgylch y PCB er mwyn osgoi ffurfio mannau poeth mewn ardal benodol. Fodd bynnag, mae'n well osgoi gosod cydrannau gweithredol sy'n cynhyrchu cryn dipyn o wres ger ymylon y bwrdd. I'r gwrthwyneb, dylid eu gosod mor agos â phosibl at ganol y bwrdd, gan ffafrio dosbarthiad gwres gwastad. Os yw dyfais pŵer uchel wedi'i gosod ger ymyl y bwrdd, bydd yn cronni gwres ar yr ymyl, gan gynyddu'r tymheredd lleol. Ar y llaw arall, os caiff ei osod ger canol y bwrdd, bydd y gwres yn gwasgaru ar yr wyneb i bob cyfeiriad, gan leihau'r tymheredd a gwasgaru'r gwres yn haws. Ni ddylid gosod dyfeisiau pŵer yn agos at gydrannau sensitif a dylid eu gosod yn iawn oddi wrth ei gilydd.

Dewis swbstrad PCB:

Oherwydd ei ddargludedd thermol isel — rhwng {{0}}.2 a 0.5 W/mK — nid yw FR-4 yn addas yn gyffredinol ar gyfer cymwysiadau lle mae angen afradu llawer iawn o wres. Mae'r gwres a all gronni mewn cylchedau pŵer uchel yn sylweddol, wedi'i gymhlethu gan y ffaith bod y systemau hyn yn aml yn gweithredu mewn amgylcheddau garw a thymheredd eithafol. Gall defnyddio deunydd swbstrad amgen gyda dargludedd thermol uwch fod yn ddewis gwell na defnyddio'r FR -4 traddodiadol.

Mae deunyddiau ceramig, er enghraifft, yn cynnig manteision sylweddol ar gyfer rheolaeth thermol PCBs pŵer uchel. Yn ogystal â gwell dargludedd thermol, mae'r deunyddiau hyn yn cynnig priodweddau mecanyddol rhagorol sy'n helpu i wneud iawn am y straen a gronnir yn ystod beicio thermol dro ar ôl tro. Yn ogystal, mae gan ddeunyddiau cerameg golledion dielectrig is yn gweithredu ar amleddau hyd at 10 GHz. Ar gyfer amleddau uwch, mae bob amser yn bosibl dewis deunyddiau hybrid (fel PTFE), sy'n cynnig colledion yr un mor isel gyda gostyngiad cymedrol mewn dargludedd thermol.

Po uchaf yw dargludedd thermol deunydd, y cyflymaf yw'r trosglwyddiad gwres. Mae'n dilyn bod metelau fel alwminiwm, yn ogystal â bod yn ysgafnach na seramig, yn cynnig datrysiad ardderchog ar gyfer trosglwyddo gwres i ffwrdd o gydrannau. Mae alwminiwm yn arbennig yn ddargludydd rhagorol, mae ganddo wydnwch rhagorol, mae'n ailgylchadwy, ac nid yw'n wenwynig. Diolch i'w dargludedd thermol uchel, mae'r haenau metel yn helpu i drosglwyddo gwres yn gyflym trwy'r bwrdd. Mae rhai gweithgynhyrchwyr hefyd yn cynnig PCBs wedi'u gorchuddio â metel, lle mae'r ddwy haen allanol wedi'u gorchuddio â metel, yn nodweddiadol alwminiwm neu gopr galfanedig. O safbwynt pwysau cost fesul uned, alwminiwm yw'r dewis gorau, tra bod copr yn cynnig dargludedd thermol uwch. Defnyddir alwminiwm yn helaeth ar gyfer adeiladu PCBs sy'n cefnogi LEDs pŵer uchel (dangosir enghraifft yn Ffigur 2), lle mae hefyd yn arbennig o ddefnyddiol ar gyfer ei allu i adlewyrchu'r golau i ffwrdd o'r swbstrad.

Gellir lamineiddio PCBs metel, a elwir hefyd yn swbstradau metel inswleiddio (IMS), yn uniongyrchol i'r PCB, gan arwain at fwrdd gyda swbstradau FR-4 a chraidd metel gyda thechnoleg haen sengl a haen ddwbl gyda llwybr rheoli dyfnder, sy'n gwasanaethu i drosglwyddo gwres i ffwrdd o gydrannau ar y cwch ac i feysydd llai critigol. Mewn PCBs IMS, mae haen denau o deuelectrig dargludol yn thermol ond sy'n inswleiddio'n drydanol wedi'i lamineiddio rhwng sylfaen fetel a ffoil copr. Mae'r ffoil copr wedi'i ysgythru i'r patrwm cylched dymunol ac mae'r sylfaen fetel yn amsugno gwres o'r gylched hon trwy'r deuelectrig tenau.

Y prif fanteision a gynigir gan IMS PCBs yw'r canlynol:

1. Mae gwasgariad gwres yn sylweddol uwch na lluniadau safonol FR-4.

2. Mae'r deuelectrig fel arfer yn 5 × i 10 × yn fwy dargludol yn thermol na gwydr epocsi arferol.

3. Mae trosglwyddo thermol yn esbonyddol yn fwy effeithlon nag mewn PCB confensiynol.

4. Heblaw am dechnoleg LED (arwyddion wedi'u goleuo, arddangosfeydd, a goleuadau), defnyddir byrddau cylched IMS yn eang yn y diwydiant modurol (prif oleuadau, rheoli injan, a llywio pŵer), mewn electroneg pŵer (cyflenwad pŵer DC, gwrthdroyddion, a rheoli injan) , mewn switshis, ac mewn rasys cyfnewid lled-ddargludyddion.