Цела индустрија енергетске електронике, укључујући РФ апликације и системе који укључују сигнале велике брзине, креће се ка решењима која пружају све сложенију функционалност у све мањим просторима. Дизајнери се суочавају са све захтевнијим изазовима у испуњавању захтева за величином, тежином и снагом система, укључујући ефикасно управљање топлотом, што заузврат почиње дизајном ПЦБ-а.
Високо интегрисани уређаји са активном снагом (нпр. МОСФЕТ транзистори) емитују велике количине топлоте, захтевајући ПЦБ-е који могу да пренесу топлоту са најтоплијих компоненти на тло или површину хладњака да би функционисали што је могуће ефикасније. Топлотни стрес је један од главних узрока квара уређаја за напајање, јер може изазвати деградацију перформанси и чак може довести до квара или квара система. Брзи раст густине снаге уређаја и повећање фреквенције су главни узроци прегревања електронских компоненти. Док се полупроводници са мањим губитком енергије и бољом топлотном проводљивошћу, као што су широкопојасни материјали, користе све више и више, они сами по себи нису довољни да елиминишу потребу за ефикасним управљањем топлотом.
Садашњи уређаји за напајање на бази силицијума могу се постићи на температурама споја између око 125 степени и 200 степени. Међутим, пожељно је увек дозволити уређају да ради без прекорачења овог ограничења, чиме се избегава брзо старење уређаја и скраћује његов преостали животни век. У ствари, процењује се да ако неправилно управљање топлотом доведе до повећања радне температуре за 20 степени, резултујуће смањење преосталог века трајања компоненте ће бити чак 50 процената.
Лаиоут Ожичење (распоред) Методологија
Уобичајена метода управљања топлотом која се користи у многим пројектима је употреба стандардног супстрата отпорне на пламен класе 4 (ФР-4), који је јефтин и лак за обраду материјал који се фокусира на термичку оптимизацију распореда кола.
Главне мере које се користе укључују обезбеђивање додатних бакарних површина, коришћење дебљих поравнања и уметање хладњака испод компоненти које генеришу највише топлоте. Радикалнија техника за расипање више топлоте укључује уметање или наношење правог бакарног блока на ПЦБ или на крајњи слој, који је обично у облику новчића, па отуда и назив "бакарни новчић". Након обраде бакарног новчића одвојено, може се залемити или директно причврстити на ПЦБ, или се може уметнути у унутрашњи слој и повезати са спољним слојем преко хладњака. ПЦБ приказан на слици 1 је направљен у посебној шупљини за смештај бакарног новчића.
Бакар има топлотну проводљивост од 380 В/мК, у поређењу са 225 В/мК за алуминијум и 0,3 В/мК за ФР-4. Бакар је релативно јефтин метал који се широко користи у производњи ПЦБ-а; стога је идеалан за прављење бакарних новчића, отвора за хладњак и слојева тла - све решења која побољшавају дисипацију топлоте.
Правилно постављање активних уређаја на плочу је кључни фактор у спречавању стварања врућих тачака, чиме се обезбеђује да се топлота дистрибуира што је могуће равномерније по плочи. У том смислу, активни уређаји треба да буду распоређени око ПЦБ-а без посебног редоследа, чиме се избегава стварање врућих тачака у одређеним областима. Међутим, најбоље је избегавати постављање активних уређаја који стварају много топлоте близу ивице плоче. Уместо тога, требало би да буду постављени што ближе центру плоче, чиме се олакшава равномерна дистрибуција топлоте. Ако су уређаји велике снаге постављени близу ивице плоче, они ће акумулирати топлоту на ивици, повећавајући тако локалну температуру. С друге стране, ако су постављени близу центра плоче, топлота ће се дистрибуирати у свим правцима дуж површине, што ће олакшати смањење температуре и лакше расподелу топлоте. Уређаји за напајање не би требало да се постављају близу осетљивих компоненти и требало би да буду на одговарајућем размаку један од другог.
Мере предузете на нивоу распореда могу се додатно побољшати коришћењем система активног хлађења и пасивног хлађења (као што су хладњаци или вентилатори) – такви системи могу да одводе топлоту из активних уређаја, уместо да је емитују директно у плочу. Генерално, дизајнери морају пронаћи прави компромис између различитих стратегија управљања топлотом, у зависности од захтева одређене апликације и расположивог буџета.
Избор ПЦБ подлоге
ФР{{0}} обично није погодан за апликације које захтевају дисипацију велике количине топлоте због ниске топлотне проводљивости (између 0,2 и 0,5 В/мК). Топлота која се ствара у струјним круговима може бити знатна, а ови системи често раде у тешким окружењима и екстремним температурама. Коришћење алтернативног материјала подлоге са већом топлотном проводљивошћу може бити бољи избор од коришћења традиционалног ФР-4.
Керамички материјали, на пример, нуде значајне предности за термичко управљање ПЦБ-има велике снаге. Такви материјали, осим што побољшавају топлотну проводљивост, такође имају одличне механичке особине и на тај начин помажу у компензацији напона акумулираних током поновљених термичких циклуса. Поред тога, керамички материјали имају низак диелектрични губитак на фреквенцијама до 10 ГХз. За веће фреквенције, увек је могуће изабрати хибридне материјале (нпр. ПТФЕ), који обезбеђују исте ниске губитке, али уз умерено смањење топлотне проводљивости.
Што је већа топлотна проводљивост материјала, то је бржи пренос топлоте. Стога, поред тога што су лакши од керамике, метали као што је алуминијум нуде одлично решење за преношење топлоте са компоненти. Алуминијум је такође одличан проводник, има одличну издржљивост, може се рециклирати и није токсичан. Због своје високе топлотне проводљивости, метални слој помаже брзом преносу топлоте кроз плочу. Неки произвођачи такође нуде ПЦБ обложене металом где су оба спољна слоја обложена металом, обично алуминијум или поцинковани бакар. Алуминијум је најбољи избор са становишта цене по тежини, док бакар има већу топлотну проводљивост. Алуминијум се такође широко користи за прављење ПЦБ-а који подржавају ЛЕД диоде велике снаге (као што је приказано у примеру на слици 2), где је његова способност да рефлектује светлост од подлоге такође посебно корисна.
Чак и сребро, због своје топлотне проводљивости од око 5 процената веће од бакра, такође се може користити за прављење поравнања, прелаза, јастучића и металних слојева. Поред тога, ако се плоча користи у влажном окружењу где постоје токсични гасови, употреба сребрне завршне обраде на голим бакарним поравнањима и бакарним лемним јастучићима ће помоћи у спречавању корозије – типичне претње познате у таквим срединама.
Металне ПЦБ-е, познате и као изоловане металне подлоге (ИМС), могу се ламинирати директно у ПЦБ да би се формирале плоче са ФР-4 подлогама и металним језгром. Користе се једнослојне и двослојне технологије, са ожичењем контролисаним дубином, при чему се топлота може пренети са уграђених компоненти на мање критична подручја. У ИМС ПЦБ-има, танак слој топлотно проводљивог али електрично изолационог диелектрика је ламиниран између металне подлоге и бакарне фолије. Бакарна фолија је урезана у жељени узорак кола и метална подлога апсорбује топлоту из кола кроз овај танки диелектрик.
Главне предности које нуде ИМС ПЦБ су следеће.
-Значајно веће расипање топлоте од стандардних ФР-4 структура.
-Топлотна проводљивост диелектрика је обично 5 до 10 пута већа од оне код обичног епоксидног стакла.
-Ефикасност преноса топлоте је много већа од оне код конвенционалних ПЦБ-а.
Поред ЛЕД технологије (светлећи знакови, дисплеји и осветљење), ИМС ПЦБ се широко користе у аутомобилској индустрији (фарови, контроле мотора и серво управљача), енергетској електроници (ДЦ напајања, инвертори и контроле мотора), прекидачима и полупроводничким релејима .