De hele vermogenselektronica-industrie, inclusief RF-toepassingen en systemen met hogesnelheidssignalen, evolueert naar oplossingen die steeds complexere functionaliteit bieden in steeds kleinere ruimtes. Ontwerpers worden geconfronteerd met steeds veeleisender wordende uitdagingen om te voldoen aan de vereisten van systeemgrootte, gewicht en vermogen, inclusief effectief thermisch beheer, dat op zijn beurt begint met het ontwerp van de PCB.
Sterk geïntegreerde apparaten met actief vermogen (bijv. MOSFET-transistors) stoten grote hoeveelheden warmte uit, waardoor PCB's nodig zijn die warmte van de heetste componenten naar de grond of het koellichaam kunnen overbrengen om zo efficiënt mogelijk te werken. Thermische stress is een van de belangrijkste oorzaken van uitval van stroomapparaten, omdat het prestatieverlies kan veroorzaken en zelfs kan leiden tot systeemstoringen of storingen. De snelle groei van de vermogensdichtheid van het apparaat en de toenemende frequentie zijn de belangrijkste oorzaken van oververhitting van elektronische componenten. Hoewel halfgeleiders met een lager vermogensverlies en een betere thermische geleidbaarheid, zoals breedbandmaterialen, steeds vaker worden gebruikt, zijn ze op zichzelf niet voldoende om de noodzaak van effectief thermisch beheer te elimineren.
Huidige op silicium gebaseerde stroomapparaten kunnen worden bereikt bij junctietemperaturen tussen ongeveer 125 graden en 200 graden. Het is echter wenselijk om de inrichting altijd te laten werken zonder deze beperkende voorwaarde te overschrijden, waardoor snelle veroudering van de inrichting wordt vermeden en de resterende levensduur wordt verkort. Er wordt zelfs geschat dat als onjuist thermisch beheer leidt tot een stijging van de bedrijfstemperatuur met 20 graden, de resulterende vermindering van de resterende levensduur van het onderdeel maar liefst 50 procent zal zijn.
Lay-out Bedrading (lay-out) Methodologie
Een veelgebruikte methode voor thermisch beheer die in veel projecten wordt gebruikt, is het gebruik van een standaard vlamvertragend klasse 4 (FR-4) substraat, een goedkoop en gemakkelijk te verwerken materiaal dat zich richt op thermische optimalisatie van de circuitlay-out.
De belangrijkste maatregelen die worden gebruikt, zijn het aanbrengen van extra koperen oppervlakken, het gebruik van dikkere uitlijningen en het plaatsen van koellichamen onder de componenten die de meeste warmte genereren. Een meer radicale techniek om meer warmte af te voeren, is het plaatsen of aanbrengen van een echt koperen blok op de printplaat of op de buitenste laag, die meestal de vorm van een munt heeft, vandaar de naam "koperen munt". Nadat de koperen munt afzonderlijk is verwerkt, kan deze worden gesoldeerd of direct op de printplaat worden bevestigd, of deze kan in de binnenste laag worden gestoken en via het koellichaam met de buitenste laag worden verbonden. De PCB die in figuur 1 wordt getoond, is gemaakt in een speciale holte om een koperen munt te herbergen.
Koper heeft een thermische geleidbaarheid van 380 W/mK, vergeleken met 225 W/mK voor aluminium en 0,3 W/mK voor FR-4. Koper is een relatief goedkoop metaal dat veel wordt gebruikt bij de productie van PCB's; daarom is het ideaal voor het maken van koperen munten, gaten in het koellichaam en grondlagen - allemaal oplossingen die de warmteafvoer verbeteren.
De juiste plaatsing van actieve apparaten op het bord is een belangrijke factor om de vorming van hotspots te voorkomen, zodat de warmte zo gelijkmatig mogelijk over het bord wordt verdeeld. In dit opzicht moeten de actieve apparaten in willekeurige volgorde over de PCB worden verdeeld, om de vorming van hotspots in specifieke gebieden te voorkomen. Het is echter het beste om actieve apparaten die veel warmte genereren niet in de buurt van de rand van het bord te plaatsen. In plaats daarvan moeten ze zo dicht mogelijk bij het midden van het bord worden geplaatst, waardoor een gelijkmatige warmteverdeling wordt vergemakkelijkt. Als apparaten met een hoog vermogen in de buurt van de rand van het bord worden geïnstalleerd, zullen ze warmte ophopen aan de rand, waardoor de lokale temperatuur stijgt. Aan de andere kant, als ze in de buurt van het midden van het bord worden geplaatst, wordt de warmte in alle richtingen langs het oppervlak verdeeld, waardoor het gemakkelijker wordt om de temperatuur te verlagen en het gemakkelijker wordt om warmte te verdelen. Stroomapparaten mogen niet dicht bij gevoelige componenten worden geplaatst en moeten op de juiste afstand van elkaar worden geplaatst.
Maatregelen op lay-outniveau kunnen verder worden verbeterd door gebruik te maken van actieve koeling en passieve koelsystemen (zoals koellichamen of ventilatoren) - dergelijke systemen kunnen warmte van actieve apparaten verwijderen in plaats van deze rechtstreeks naar het bord af te geven. Over het algemeen moeten ontwerpers het juiste compromis vinden tussen verschillende strategieën voor thermisch beheer, afhankelijk van de vereisten van de specifieke toepassing en het beschikbare budget.
PCB-substraatselectie
FR{{0}} is doorgaans niet geschikt voor toepassingen waarbij grote hoeveelheden warmte moeten worden afgevoerd vanwege de lage thermische geleidbaarheid (tussen 0,2 en 0,5 W/mK). De warmte die wordt gegenereerd in high-power circuits kan aanzienlijk zijn, en deze systemen werken vaak in ruwe omgevingen en extreme temperaturen. Het gebruik van een alternatief substraatmateriaal met een hogere thermische geleidbaarheid kan een betere keuze zijn dan het gebruik van traditioneel FR-4.
Keramische materialen bieden bijvoorbeeld belangrijke voordelen voor het thermisch beheer van high-power PCB's. Dergelijke materialen hebben, naast het verbeteren van de thermische geleidbaarheid, ook uitstekende mechanische eigenschappen en helpen zo de spanningen te compenseren die zich tijdens herhaalde thermische cycli hebben opgehoopt. Bovendien hebben keramische materialen een laag diëlektrisch verlies bij frequenties tot 10 GHz. Voor hogere frequenties is het altijd mogelijk om hybride materialen te kiezen (bijv. PTFE), die dezelfde lage verliezen geven, maar met een matige vermindering van de thermische geleidbaarheid.
Hoe hoger de thermische geleidbaarheid van het materiaal, hoe sneller de warmteoverdracht. Dus, naast dat ze lichter zijn dan keramiek, bieden metalen zoals aluminium een uitstekende oplossing om warmte weg te leiden van componenten. Met name aluminium is ook een uitstekende geleider, heeft een uitstekende duurzaamheid, is recyclebaar en is niet giftig. Vanwege de hoge thermische geleidbaarheid helpt de metalen laag om de warmte snel over het hele bord over te dragen. Sommige fabrikanten bieden ook met metaal beklede PCB's aan waarbij beide buitenste lagen met metaal zijn bekleed, meestal aluminium of gegalvaniseerd koper. Aluminium is de beste keuze vanuit het oogpunt van kosten per gewicht, terwijl koper een hogere thermische geleidbaarheid heeft. Aluminium wordt ook veel gebruikt om PCB's te maken die krachtige LED's ondersteunen (zoals weergegeven in het voorbeeld in figuur 2), waarbij het vermogen om licht weg van het substraat te reflecteren ook bijzonder nuttig is.
Zelfs zilver, vanwege zijn thermische geleidbaarheid van ongeveer 5 procent hoger dan die van koper, kan ook worden gebruikt om uitlijningen, via's, pads en metaallagen te maken. Bovendien, als het bord wordt gebruikt in een vochtige omgeving waar giftige gassen aanwezig zijn, zal het gebruik van zilveren afwerkingen op kale koperen uitlijningen en koperen soldeerpads corrosie helpen voorkomen - een typische bedreiging die bekend is in dergelijke omgevingen.
Metalen PCB's, ook wel geïsoleerde metalen substraten (IMS) genoemd, kunnen rechtstreeks in de PCB worden gelamineerd om platen te vormen met FR-4-substraten en metalen kernen. Er wordt gebruik gemaakt van enkel- en dubbellaagse technologieën, met dieptegecontroleerde bedrading, waardoor warmte kan worden overgedragen van componenten aan boord naar minder kritieke gebieden. In IMS-PCB's wordt een dunne laag thermisch geleidend maar elektrisch isolerend diëlektricum gelamineerd tussen een metalen substraat en een koperfolie. De koperfolie wordt in het gewenste circuitpatroon geëtst en het metalen substraat absorbeert warmte van het circuit via dit dunne diëlektricum.
De belangrijkste voordelen van IMS PCB's zijn als volgt.
- Aanzienlijk hogere warmteafvoer dan standaard FR-4-structuren.
-De thermische geleidbaarheid van het diëlektricum is typisch 5 tot 10 keer hoger dan die van gewoon epoxyglas.
-De efficiëntie van warmteoverdracht is veel hoger dan die van conventionele PCB's.
Naast LED-technologie (verlichte borden, displays en verlichting), worden IMS-printplaten veel gebruikt in de auto-industrie (koplampen, motorbedieningen en stuurbekrachtiging), vermogenselektronica (DC-voedingen, omvormers en motorbedieningen), schakelaars en halfgeleiderrelais .