Keseluruhan industri elektronik kuasa, termasuk aplikasi dan sistem RF yang melibatkan isyarat berkelajuan tinggi, bergerak ke arah penyelesaian yang menyediakan fungsi yang semakin kompleks di ruang yang lebih kecil. Pereka bentuk menghadapi cabaran yang semakin menuntut dalam memenuhi keperluan saiz sistem, berat dan kuasa, termasuk pengurusan haba yang berkesan, yang seterusnya bermula dengan reka bentuk PCB.
Peranti kuasa aktif yang sangat bersepadu (contohnya, MOSFET UCLA) mengeluarkan sejumlah besar haba, yang memerlukan PCB yang boleh memindahkan haba dari komponen paling panas ke permukaan sinki tanah atau haba untuk beroperasi dengan cekap yang mungkin. Tekanan haba adalah salah satu punca utama kegagalan peranti kuasa, kerana ia boleh menyebabkan kemerosotan prestasi dan mungkin menyebabkan kegagalan sistem atau kerosakan. Pertumbuhan pesat ketumpatan kuasa peranti dan kekerapan yang semakin meningkat adalah punca utama terlalu panas dalam komponen elektronik. Walaupun semikonduktor dengan kehilangan kuasa yang lebih rendah dan kekonduksian terma yang lebih baik, seperti bahan jalur lebar, digunakan secara lebih meluas, mereka tidak mencukupi dengan sendirinya untuk menghapuskan keperluan untuk pengurusan haba yang berkesan.
Peranti kuasa berasaskan silikon semasa boleh dicapai pada suhu persimpangan antara kira-kira 125 ° C dan 200 ° C. Walau bagaimanapun, adalah wajar untuk sentiasa membenarkan peranti beroperasi tanpa melebihi keadaan yang mengehadkan ini, dengan itu mengelakkan penuaan peranti yang cepat dan memendekkan hayatnya yang tinggal. Malah, dianggarkan bahawa jika pengurusan haba yang tidak betul membawa kepada peningkatan 20 ° C dalam suhu operasi, pengurangan yang terhasil dalam baki hayat komponen akan sebanyak 50%.
Metodologi Pendawaian Susun atur (layout)
Kaedah pengurusan haba biasa yang digunakan dalam banyak projek adalah penggunaan substrat kalis api standard kelas 4 (FR-4), yang merupakan bahan yang murah dan mudah diproses yang memberi tumpuan kepada pengoptimuman haba susun atur litar.
Langkah-langkah utama yang digunakan melibatkan penyediaan permukaan tembaga tambahan, menggunakan penjajaran yang lebih tebal, dan memasukkan sinki haba di bawah komponen yang menghasilkan haba yang paling banyak. Teknik yang lebih radikal untuk menghilangkan lebih banyak haba melibatkan memasukkan atau menggunakan blok tembaga sebenar ke PCB atau ke lapisan paling luar, yang biasanya dalam bentuk duit syiling, oleh itu nama "syiling tembaga". Selepas memproses duit syiling tembaga secara berasingan, ia boleh dipateri atau dipasang terus ke PCB, atau ia boleh dimasukkan ke dalam lapisan dalam dan disambungkan ke lapisan luar melalui sinki haba. PCB yang ditunjukkan dalam Rajah 1 dibuat dalam rongga khas untuk menampung duit syiling tembaga.
Tembaga mempunyai kekonduksian terma 380 W / mK, berbanding 225 W / mK untuk aluminium dan 0.3 W / mK untuk FR-4. Tembaga adalah logam yang agak murah yang telah digunakan secara meluas dalam pembuatan PCB; oleh itu, sangat sesuai untuk membuat syiling tembaga, lubang sinki haba, dan lapisan tanah - semua penyelesaian yang meningkatkan pelesapan haba.
Peletakan peranti aktif yang betul di papan adalah faktor utama dalam mencegah bintik-bintik panas daripada terbentuk, dengan itu memastikan haba diedarkan secara merata mungkin di seluruh papan. Dalam hal ini, peranti aktif harus diedarkan di sekitar PCB tanpa perintah tertentu, dengan itu mengelakkan pembentukan titik panas di kawasan tertentu. Walau bagaimanapun, adalah lebih baik untuk mengelakkan meletakkan peranti aktif yang menghasilkan banyak haba berhampiran tepi papan. Sebaliknya, mereka harus diletakkan sedekat mungkin ke pusat papan, dengan itu memudahkan pengedaran haba seragam. Sekiranya peranti berkuasa tinggi dipasang berhampiran tepi papan, mereka akan mengumpul haba di tepi, dengan itu meningkatkan suhu tempatan. Sebaliknya, jika mereka diletakkan berhampiran pusat papan, haba akan diedarkan ke semua arah di sepanjang permukaan, menjadikannya lebih mudah untuk mengurangkan suhu dan menjadikannya lebih mudah untuk mengedarkan haba. Peranti kuasa tidak boleh diletakkan berdekatan dengan komponen sensitif dan harus dijarakkan dengan betul antara satu sama lain.
Langkah-langkah yang diambil pada tahap susun atur boleh dipertingkatkan lagi dengan menggunakan sistem penyejukan aktif dan penyejukan pasif (seperti sinki haba atau kipas) - sistem sedemikian boleh mengeluarkan haba dari peranti aktif, dan bukannya memancarkannya terus ke papan. Secara umum, pereka mesti mencari kompromi yang tepat antara strategi pengurusan haba yang berbeza, bergantung kepada keperluan aplikasi tertentu dan anggaran yang ada.
Pemilihan Substrat PCB
FR-4 biasanya tidak sesuai untuk aplikasi yang memerlukan pelesapan sejumlah besar haba kerana kekonduksian terma yang rendah (antara 0.2 dan 0.5 W / mK). Haba yang dihasilkan dalam litar berkuasa tinggi boleh menjadi besar, dan sistem ini sering beroperasi dalam persekitaran yang keras dan suhu yang melampau. Menggunakan bahan substrat alternatif dengan kekonduksian terma yang lebih tinggi mungkin merupakan pilihan yang lebih baik daripada menggunakan FR-4 tradisional.
Bahan seramik, sebagai contoh, menawarkan kelebihan yang ketara untuk pengurusan haba PCB berkuasa tinggi. Bahan-bahan sedemikian, selain meningkatkan kekonduksian terma, juga mempunyai sifat mekanikal yang sangat baik dan dengan itu membantu mengimbangi tekanan yang terkumpul semasa berbasikal haba berulang. Di samping itu, bahan seramik mempunyai kehilangan dielektrik yang rendah pada frekuensi sehingga 10 GHz. Untuk frekuensi yang lebih tinggi, ia sentiasa mungkin untuk memilih bahan hibrid (contohnya PTFE), yang memberikan kerugian rendah yang sama tetapi dengan pengurangan sederhana dalam kekonduksian terma.
Semakin tinggi kekonduksian terma bahan, semakin cepat pemindahan haba. Oleh itu, selain lebih ringan daripada seramik, logam seperti aluminium menawarkan penyelesaian yang sangat baik untuk memindahkan haba dari komponen. Aluminium khususnya juga merupakan konduktor yang sangat baik, mempunyai ketahanan yang sangat baik, boleh dikitar semula, dan tidak toksik. Oleh kerana kekonduksian terma yang tinggi, lapisan logam membantu memindahkan haba dengan cepat ke seluruh papan. Sesetengah pengeluar juga menawarkan PCB berpakaian logam di mana kedua-dua lapisan luar berpakaian logam, biasanya aluminium atau tembaga tergalvani. Aluminium adalah pilihan terbaik dari perspektif kos setiap berat, manakala tembaga mempunyai kekonduksian terma yang lebih tinggi. Aluminium juga digunakan secara meluas untuk membuat PCB yang menyokong LED berkuasa tinggi (seperti yang ditunjukkan dalam contoh dalam Rajah 2), di mana keupayaannya untuk mencerminkan cahaya dari substrat juga sangat berguna.
Malah perak, kerana kekonduksian terma kira-kira 5% lebih tinggi daripada tembaga, juga boleh digunakan untuk membuat penjajaran, vias, pad dan lapisan logam. Di samping itu, jika papan digunakan dalam persekitaran lembap di mana gas toksik wujud, penggunaan kemasan perak pada penjajaran tembaga kosong dan pad pateri tembaga akan membantu mencegah kakisan - ancaman biasa yang diketahui dalam persekitaran sedemikian.
PCB logam, juga dikenali sebagai substrat logam terlindung (IMS), boleh dilaminasi terus ke PCB untuk membentuk papan dengan substrat FR-4 dan teras logam. Teknologi lapisan tunggal dan berganda digunakan, dengan pendawaian yang dikawal kedalaman, di mana haba boleh dipindahkan dari komponen on-board ke kawasan yang kurang kritikal. Dalam PCB IMS, lapisan nipis dielektrik konduktif haba tetapi elektrik penebat dilaminasi antara substrat logam dan kerajang tembaga. Kerajang tembaga terukir ke dalam corak litar yang dikehendaki dan substrat logam menyerap haba dari litar melalui dielektrik nipis ini.
Kelebihan utama yang ditawarkan oleh IMS PCB adalah seperti berikut.
-Penyingkiran haba yang lebih tinggi daripada struktur FR-4 standard.
-Kekonduksian terma dielektrik biasanya 5 hingga 10 kali lebih tinggi daripada kaca epoksi biasa.
-Kecekapan pemindahan haba jauh lebih tinggi daripada PCB konvensional.
Sebagai tambahan kepada teknologi LED (tanda, paparan dan pencahayaan yang bercahaya), PCB IMS digunakan secara meluas dalam industri automotif (lampu depan, kawalan enjin dan stereng kuasa), elektronik kuasa (bekalan kuasa DC, penyongsang dan kawalan enjin), suis dan geganti semikonduktor.