Hele kraftelektronikindustrien, inklusive RF-applikationer og systemer, der involverer højhastighedssignaler, bevæger sig mod løsninger, der giver stadig mere kompleks funktionalitet i stadigt mindre rum. Designere står over for stadig mere krævende udfordringer med at opfylde kravene til systemstørrelse, vægt og effekt, herunder effektiv termisk styring, som igen begynder med design af printet.
Meget integrerede enheder med aktiv effekt (f.eks. MOSFET-transistorer) udsender store mængder varme, hvilket kræver PCB'er, der kan overføre varme fra de varmeste komponenter til jorden eller kølepladens overflade for at fungere så effektivt som muligt. Termisk stress er en af hovedårsagerne til strømsvigt, da det kan forårsage forringelse af ydeevnen og endda kan føre til systemfejl eller funktionsfejl. Den hurtige vækst i enhedens strømtæthed og stigende frekvens er hovedårsagerne til overophedning i elektroniske komponenter. Mens halvledere med lavere effekttab og bedre termisk ledningsevne, såsom bredbåndsmaterialer, bliver brugt mere og mere omfattende, er de ikke tilstrækkelige i sig selv til at eliminere behovet for effektiv termisk styring.
Nuværende siliciumbaserede strømenheder kan opnås ved overgangstemperaturer mellem omkring 125 grader og 200 grader. Det er imidlertid ønskeligt altid at tillade indretningen at fungere uden at overskride denne begrænsende betingelse, hvorved hurtig ældning af indretningen undgås og dens resterende levetid forkortes. Faktisk anslås det, at hvis ukorrekt termisk styring fører til en stigning på 20 grader i driftstemperaturen, vil den resulterende reduktion i komponentens resterende levetid være så meget som 50 procent.
Layout Ledningsføring (layout) Metodik
En almindelig termisk styringsmetode, der bruges i mange projekter, er brugen af et standard flammehæmmende klasse 4 (FR-4) substrat, som er et billigt og let at behandle materiale, der fokuserer på termisk optimering af kredsløbslayoutet.
De vigtigste foranstaltninger, der anvendes, involverer tilvejebringelse af yderligere kobberoverflader, brug af tykkere justeringer og indsættelse af køleplader under de komponenter, der genererer mest varme. En mere radikal teknik til at sprede mere varme involverer at indsætte eller påføre en ægte kobberblok på PCB'et eller på det yderste lag, som normalt er i form af en mønt, deraf navnet "kobbermønt". Efter at have behandlet kobbermønten separat, kan den loddes eller direkte fastgøres til PCB'en, eller den kan indsættes i det indre lag og forbindes til det ydre lag gennem kølepladen. PCB'et vist i figur 1 er lavet i et specielt hulrum til at rumme en kobbermønt.
Kobber har en termisk ledningsevne på 380 W/mK sammenlignet med 225 W/mK for aluminium og 0,3 W/mK for FR-4. Kobber er et relativt billigt metal, der har været meget brugt i PCB-fremstilling; derfor er den ideel til fremstilling af kobbermønter, huller til køleplader og jordlag - alle løsninger, der forbedrer varmeafledningen.
Den korrekte placering af aktive enheder på brættet er en nøglefaktor for at forhindre dannelse af hot spots, og dermed sikre, at varmen fordeles så jævnt som muligt over brættet. I denne henseende bør de aktive enheder fordeles rundt om PCB'et i nogen bestemt rækkefølge, således at dannelsen af hot spots i specifikke områder undgås. Det er dog bedst at undgå at placere aktive enheder, der genererer meget varme, nær kanten af brættet. I stedet bør de placeres så tæt som muligt på midten af brættet, hvilket letter ensartet varmefordeling. Hvis enheder med høj effekt er installeret nær kanten af brættet, vil de akkumulere varme ved kanten og dermed øge den lokale temperatur. På den anden side, hvis de placeres nær midten af brættet, vil varmen fordeles i alle retninger langs overfladen, hvilket gør det nemmere at reducere temperaturen og gøre det lettere at fordele varmen. Strømforsyningsenheder bør ikke placeres tæt på følsomme komponenter og bør være i passende afstand fra hinanden.
Foranstaltninger truffet på layoutniveau kan forbedres yderligere ved at bruge aktive køle- og passive kølesystemer (såsom køleplader eller ventilatorer) - sådanne systemer kan fjerne varme fra aktive enheder i stedet for at udsende den direkte ind i kortet. Generelt skal designere finde det rigtige kompromis mellem forskellige varmestyringsstrategier, afhængigt af kravene til den særlige applikation og det tilgængelige budget.
Valg af PCB-substrat
FR{{0}} er typisk ikke egnet til applikationer, der kræver bortledning af store mængder varme på grund af dens lave termiske ledningsevne (mellem 0.2 og 0,5 W/mK). Varmen genereret i højeffektkredsløb kan være betydelig, og disse systemer fungerer ofte i barske miljøer og ekstreme temperaturer. Brug af et alternativt substratmateriale med højere termisk ledningsevne kan være et bedre valg end at bruge traditionel FR-4.
Keramiske materialer giver for eksempel betydelige fordele til termisk styring af højeffekt-PCB'er. Sådanne materialer har, ud over at forbedre termisk ledningsevne, også fremragende mekaniske egenskaber og hjælper således med at kompensere for de spændinger, der opstår under gentagne termiske cyklusser. Derudover har keramiske materialer et lavt dielektrisk tab ved frekvenser op til 10 GHz. Til højere frekvenser er det altid muligt at vælge hybridmaterialer (f.eks. PTFE), som giver samme lave tab, men med en moderat reduktion af varmeledningsevnen.
Jo højere varmeledningsevne materialet har, jo hurtigere er varmeoverførslen. Ud over at være lettere end keramik tilbyder metaller som aluminium således en fremragende løsning til at overføre varme væk fra komponenter. Især aluminium er også en fremragende leder, har fremragende holdbarhed, er genanvendeligt og er ikke-giftigt. På grund af sin høje termiske ledningsevne hjælper metallaget med at overføre varme hurtigt gennem brættet. Nogle producenter tilbyder også metalbeklædte PCB'er, hvor begge yderlag er metalbeklædte, normalt aluminium eller galvaniseret kobber. Aluminium er det bedste valg ud fra et pris-per-vægt-perspektiv, mens kobber har en højere varmeledningsevne. Aluminium er også meget brugt til at fremstille PCB'er, der understøtter højeffekt LED'er (som vist i eksemplet i figur 2), hvor dets evne til at reflektere lys væk fra substratet også er særlig nyttig.
Selv sølv kan, på grund af dets varmeledningsevne på omkring 5 procent højere end kobber, også bruges til at skabe justeringer, vias, puder og metallag. Derudover, hvis brættet bruges i et fugtigt miljø, hvor der findes giftige gasser, vil brugen af sølvfinish på nøgne kobberlinjer og kobberloddepuder hjælpe med at forhindre korrosion - en typisk trussel kendt i sådanne miljøer.
Metal-PCB'er, også kendt som isolerede metalsubstrater (IMS), kan lamineres direkte ind i PCB'et for at danne plader med FR-4-substrater og metalkerner. Der anvendes enkelt- og dobbeltlagsteknologier med dybdekontrolleret ledningsføring, hvorved varme kan overføres fra indbyggede komponenter til mindre kritiske områder. I IMS PCB'er lamineres et tyndt lag termisk ledende, men elektrisk isolerende dielektrikum mellem et metalsubstrat og en kobberfolie. Kobberfolien ætses ind i det ønskede kredsløbsmønster, og metalsubstratet absorberer varme fra kredsløbet gennem dette tynde dielektrikum.
De vigtigste fordele ved IMS PCB'er er som følger.
- Betydeligt højere varmeafledning end standard FR-4 strukturer.
- Dielektrikumets termiske ledningsevne er typisk 5 til 10 gange højere end for almindeligt epoxyglas.
- Effektiviteten af varmeoverførsel er meget højere end konventionelle PCB'er.
Ud over LED-teknologi (belyste skilte, displays og belysning) er IMS PCB'er meget brugt i bilindustrien (forlygter, motorstyringer og servostyring), kraftelektronik (DC-strømforsyninger, invertere og motorstyringer), kontakter og halvlederrelæer .