Kogu jõuelektroonikatööstus, sealhulgas raadiosageduslikud rakendused ja kiireid signaale hõlmavad süsteemid, liigub lahenduste poole, mis pakuvad üha keerukamat funktsionaalsust üha väiksemates ruumides. Disainerid seisavad silmitsi järjest suuremate väljakutsetega süsteemi suuruse, kaalu ja võimsuse nõuete täitmisel, sealhulgas tõhusa soojusjuhtimise osas, mis omakorda algab PCB projekteerimisest.
Tugevalt integreeritud aktiivvõimsusseadmed (nt MOSFET-transistorid) eraldavad suures koguses soojust, mistõttu on võimalikult tõhusaks tööks vaja PCB-sid, mis suudavad soojust kõige kuumematelt komponentidelt maapinnale või jahutusradiaatori pinnale üle kanda. Termiline stress on üks peamisi toiteseadme rikke põhjuseid, kuna see võib põhjustada jõudluse halvenemist ja isegi süsteemi rikke või talitlushäireid. Seadmete võimsustiheduse kiire kasv ja sageduse suurenemine on elektroonikakomponentide ülekuumenemise peamised põhjused. Kuigi väiksema võimsuskao ja parema soojusjuhtivusega pooljuhte, näiteks lairibamaterjale, kasutatakse üha laialdasemalt, ei piisa neist üksi, et kõrvaldada vajadus tõhusa soojusjuhtimise järele.
Praeguseid ränipõhiseid toiteseadmeid saab saavutada ristmiku temperatuuridel vahemikus umbes 125–200 kraadi. Siiski on soovitav lasta seadmel alati töötada ilma seda piiravat tingimust ületamata, vältides nii seadme kiiret vananemist ja lühendades selle järelejäänud eluiga. Tegelikult arvatakse, et kui ebaõige soojusjuhtimine põhjustab töötemperatuuri 20 kraadi tõusu, väheneb komponendi järelejäänud eluiga kuni 50 protsenti.
Paigutus Juhtmed (paigutus) Metoodika
Levinud paljudes projektides kasutatav soojusjuhtimismeetod on standardse leegiaeglustava klassi 4 (FR-4) substraadi kasutamine, mis on odav ja kergesti töödeldav materjal, mis keskendub vooluahela paigutuse termilisele optimeerimisele.
Peamised kasutatavad meetmed hõlmavad täiendavate vaskpindade loomist, paksemate joonduste kasutamist ja jahutusradiaatorite paigaldamist kõige rohkem soojust tekitavate komponentide alla. Radikaalsem tehnika suurema soojuse hajutamiseks hõlmab tõelise vaskploki sisestamist või rakendamist PCB-le või kõige välimisele kihile, mis on tavaliselt mündi kujuline, sellest ka nimi "vasemünt". Pärast vaskmündi eraldi töötlemist saab selle joota või otse PCB külge kinnitada või sisestada sisemisse kihti ja ühendada väliskihiga läbi jahutusradiaatori. Joonisel 1 kujutatud PCB on valmistatud spetsiaalses õõnsuses, et mahutada vaskmünti.
Vase soojusjuhtivus on 380 W/mK, võrreldes alumiiniumi 225 W/mK ja FR-4 0,3 W/mK. Vask on suhteliselt odav metall, mida on laialdaselt kasutatud PCBde tootmisel; seetõttu sobib see ideaalselt vaskmüntide, jahutusradiaatori aukude ja maakihtide valmistamiseks – kõik lahendused, mis parandavad soojuse hajumist.
Aktiivsete seadmete õige paigutus plaadil on võtmetegur kuumade punktide tekke vältimiseks, tagades nii soojuse võimalikult ühtlase jaotumise kogu plaadil. Sellega seoses tuleks aktiivsed seadmed PCB ümber jaotada kindlas järjekorras, vältides nii kuumade kohtade teket konkreetsetes piirkondades. Siiski on kõige parem vältida aktiivsete seadmete paigutamist, mis toodavad palju soojust plaadi serva lähedale. Selle asemel tuleks need asetada plaadi keskkohale võimalikult lähedale, hõlbustades nii ühtlast soojusjaotust. Kui suure võimsusega seadmed on paigaldatud plaadi serva lähedale, koguvad need serva soojust, suurendades seega kohalikku temperatuuri. Teisest küljest, kui need asetatakse plaadi keskkoha lähedale, jaotub soojus piki pinda igas suunas, mis muudab temperatuuri alandamise ja soojuse jaotamise lihtsamaks. Toiteseadmeid ei tohi paigutada tundlike komponentide lähedusse ja need peavad olema üksteisest õigel kaugusel.
Paigutuse tasemel võetavaid meetmeid saab veelgi täiustada, kasutades aktiivseid jahutus- ja passiivseid jahutussüsteeme (nt jahutusradiaatorid või ventilaatorid) – sellised süsteemid suudavad eemaldada soojust aktiivsetest seadmetest, mitte lasta seda otse plaadile. Üldiselt peavad disainerid leidma õige kompromissi erinevate soojusjuhtimisstrateegiate vahel, olenevalt konkreetse rakenduse nõuetest ja olemasolevast eelarvest.
PCB substraadi valik
FR{{0}} ei sobi tavaliselt rakenduste jaoks, mis nõuavad suure soojushulga hajutamist selle madala soojusjuhtivuse tõttu (vahemikus 0,2–0,5 W/mK). Suure võimsusega ahelates tekkiv soojus võib olla märkimisväärne ning need süsteemid töötavad sageli karmides keskkondades ja äärmuslikes temperatuurides. Alternatiivse kõrgema soojusjuhtivusega alusmaterjali kasutamine võib olla parem valik kui traditsioonilise FR-4 kasutamine.
Näiteks keraamilised materjalid pakuvad olulisi eeliseid suure võimsusega PCBde soojusjuhtimisel. Sellistel materjalidel on lisaks soojusjuhtivuse parandamisele ka suurepärased mehaanilised omadused ja need aitavad seega kompenseerida korduva soojustsükli käigus kogunenud pingeid. Lisaks on keraamilistel materjalidel madal dielektriline kadu sagedustel kuni 10 GHz. Kõrgemate sageduste jaoks on alati võimalik valida hübriidmaterjale (nt PTFE), mis tagavad sama madalad kadud, kuid mõõduka soojusjuhtivuse vähenemisega.
Mida suurem on materjali soojusjuhtivus, seda kiirem on soojusülekanne. Seega lisaks keraamikast kergemale olemisele pakuvad metallid nagu alumiinium suurepärast lahendust soojuse ülekandmiseks komponentidest eemale. Eriti alumiinium on ka suurepärane juht, suurepärase vastupidavusega, taaskasutatav ja mittetoksiline. Tänu oma kõrgele soojusjuhtivusele aitab metallikiht soojust kiiresti kogu plaadi ulatuses edasi kanda. Mõned tootjad pakuvad ka metallkattega PCB-sid, mille mõlemad väliskihid on kaetud metalliga, tavaliselt alumiiniumist või tsingitud vasest. Alumiinium on kaaluhinna seisukohast parim valik, samas kui vasel on kõrgem soojusjuhtivus. Alumiiniumi kasutatakse laialdaselt ka suure võimsusega LED-e toetavate PCBde valmistamiseks (nagu on näidatud joonisel 2 olevas näites), kus selle võime peegeldada valgust substraadist eemale on samuti eriti kasulik.
Isegi hõbedat, mille soojusjuhtivus on vasest umbes 5 protsenti kõrgem, saab kasutada ka joonduste, läbiviikude, padjandite ja metallikihtide loomiseks. Lisaks, kui plaati kasutatakse niiskes keskkonnas, kus leidub mürgiseid gaase, aitab hõbedase viimistlusega vasest joondamisel ja vasest jootepadjakestel kasutamine vältida korrosiooni – tüüpilist ohtu sellistes keskkondades.
Metallist PCB-sid, mida tuntakse ka isoleeritud metallsubstraatidena (IMS), saab lamineerida otse PCB-sse, et moodustada FR-4 substraatide ja metallsüdamikega plaate. Kasutatakse ühe- ja kahekihilisi tehnoloogiaid koos sügavusjuhitava juhtmestikuga, mille abil saab soojust pardakomponentidelt üle kanda vähem kriitilistesse piirkondadesse. IMS-i PCB-des lamineeritakse metallsubstraadi ja vaskfooliumi vahele õhuke kiht soojust juhtivat, kuid elektrit isoleerivat dielektrikat. Vaskfoolium söövitatakse soovitud vooluringi mustrisse ja metallsubstraat neelab läbi selle õhukese dielektriku ahelast soojust.
IMS-i PCB-de peamised eelised on järgmised.
- Oluliselt suurem soojuse hajumine kui standardsetel FR-4 struktuuridel.
- Dielektriku soojusjuhtivus on tavaliselt 5–10 korda kõrgem kui tavalisel epoksüklaasil.
- Soojusülekande efektiivsus on palju suurem kui tavalistel PCBdel.
Lisaks LED-tehnoloogiale (valgustatud sildid, näidikud ja valgustus) kasutatakse IMS-i trükkplaate laialdaselt autotööstuses (esituled, mootori juhtseadmed ja roolivõimendi), jõuelektroonikas (alalisvoolu toiteallikad, inverterid ja mootori juhtseadmed), lülitites ja pooljuhtreleedes. .