Visa energoelektronikas nozare, ieskaitot RF lietojumprogrammas un sistēmas, kas saistītas ar ātrgaitas signāliem, virzās uz risinājumiem, kas nodrošina arvien sarežģītāku funkcionalitāti arvien mazākās telpās. Dizaineri saskaras ar arvien sarežģītākiem izaicinājumiem, izpildot sistēmas lieluma, svara un jaudas prasības, tostarp efektīvu siltuma pārvaldību, kas savukārt sākas ar PCB dizainu.
Ļoti integrētas aktīvās barošanas ierīces (piemēram, MOSFET tranzistori) izstaro lielu daudzumu siltuma, tāpēc PCB, kas var pārnest siltumu no karstākajiem komponentiem uz zemi vai siltuma izlietnes virsmu, darbojas pēc iespējas efektīvāk. Termiskais spriegums ir viens no galvenajiem barošanas ierīces atteices cēloņiem, jo tas var izraisīt veiktspējas pasliktināšanos un var pat izraisīt sistēmas atteici vai darbības traucējumus. Straujš ierīces jaudas blīvuma pieaugums un pieaugošā frekvence ir galvenie elektronisko komponentu pārkaršanas cēloņi. Lai gan pusvadītāji ar zemākiem jaudas zudumiem un labāku siltumvadītspēju, piemēram, platas joslas materiāli, tiek izmantoti arvien plašāk, tie paši par sevi nav pietiekami, lai novērstu nepieciešamību pēc efektīvas termiskās pārvaldības.
Pašreizējās elektroierīces uz silīcija bāzes var sasniegt krustojuma temperatūrā no aptuveni 125 °C līdz 200 °C. Tomēr ir vēlams vienmēr ļaut ierīcei darboties, nepārsniedzot šo ierobežojošo stāvokli, tādējādi izvairoties no ātras ierīces novecošanās un saīsinot tās atlikušo kalpošanas laiku. Faktiski tiek lēsts, ka, ja nepareiza termiskā pārvaldība noved pie darba temperatūras paaugstināšanās par 20 ° C, rezultātā komponenta atlikušā kalpošanas laika samazinājums būs pat 50%.
Izkārtojuma elektroinstalācijas (izkārtojuma) metodika
Kopēja termiskās pārvaldības metode, ko izmanto daudzos projektos, ir standarta liesmas slāpētāja 4. klases (FR-4) substrāta izmantošana, kas ir lēts un viegli apstrādājams materiāls, kas koncentrējas uz ķēdes izkārtojuma termisko optimizāciju.
Galvenie izmantotie pasākumi ietver papildu vara virsmu nodrošināšanu, biezāku izlīdzinājumu izmantošanu un siltuma izlietņu ievietošanu zem komponentiem, kas rada visvairāk siltuma. Radikālāks paņēmiens, lai izkliedētu vairāk siltuma, ietver īsta vara bloka ievietošanu vai uzklāšanu PCB vai uz visattālākā slāņa, kas parasti ir monētas formā, līdz ar to nosaukums "vara monēta". Pēc vara monētas apstrādes atsevišķi, to var lodēt vai tieši piestiprināt pie PCB, vai arī to var ievietot iekšējā slānī un savienot ar ārējo slāni caur siltuma izlietni. PCB, kas parādīts 1. attēlā, ir izgatavots īpašā dobumā, lai tajā ietilptu vara monēta.
Vara siltumvadītspēja ir 380 W/mK, salīdzinot ar 225 W/mK alumīnijam un 0,3 W/mK FR-4. Varš ir salīdzinoši lēts metāls, ko plaši izmanto PCB ražošanā; tāpēc tas ir ideāli piemērots vara monētu, siltuma izlietnes caurumu un zemes slāņu izgatavošanai - visiem risinājumiem, kas uzlabo siltuma izkliedi.
Pareiza aktīvo ierīču izvietošana uz tāfeles ir galvenais faktors, lai novērstu karsto punktu veidošanos, tādējādi nodrošinot, ka siltums tiek sadalīts pēc iespējas vienmērīgāk pa visu bortu. Šajā sakarā, aktīvās ierīces jāsadala pa PCB bez īpašas secības, tādējādi izvairoties no karsto punktu veidošanās noteiktās vietās. Tomēr vislabāk ir izvairīties no tādu aktīvo ierīču novietošanas, kas rada daudz siltuma pie tāfeles malas. Tā vietā tie jānovieto pēc iespējas tuvāk dēļa centram, tādējādi veicinot vienmērīgu siltuma sadali. Ja pie dēļa malas ir uzstādītas lieljaudas ierīces, tās uzkrās siltumu malā, tādējādi palielinot vietējo temperatūru. No otras puses, ja tie atrodas netālu no dēļa centra, siltums tiks sadalīts visos virzienos pa virsmu, atvieglojot temperatūras samazināšanu un atvieglojot siltuma sadali. Barošanas ierīces nedrīkst novietot tuvu jutīgiem komponentiem, un tām jābūt pareizi izvietotām viena no otras.
Izkārtojuma līmenī veiktos pasākumus var vēl vairāk uzlabot, izmantojot aktīvās dzesēšanas un pasīvās dzesēšanas sistēmas (piemēram, siltuma izlietnes vai ventilatorus) - šādas sistēmas var noņemt siltumu no aktīvām ierīcēm, nevis izstarot to tieši dēlī. Kopumā dizaineriem ir jāatrod pareizais kompromiss starp dažādām siltuma pārvaldības stratēģijām atkarībā no konkrētās lietojumprogrammas prasībām un pieejamā budžeta.
PCB substrāta izvēle
FR-4 parasti nav piemērots lietojumiem, kuriem nepieciešama liela siltuma daudzuma izkliedēšana tā zemās siltuma vadītspējas dēļ (no 0,2 līdz 0,5 W/mK). Lieljaudas ķēdēs radītais siltums var būt ievērojams, un šīs sistēmas bieži darbojas skarbā vidē un ekstremālās temperatūrās. Alternatīva substrāta materiāla izmantošana ar augstāku siltuma vadītspēju var būt labāka izvēle nekā tradicionālā FR-4 izmantošana.
Piemēram, keramikas materiāli piedāvā ievērojamas priekšrocības lieljaudas PCB termiskai pārvaldībai. Šādiem materiāliem, papildus siltuma vadītspējas uzlabošanai, ir arī lieliskas mehāniskās īpašības, un tādējādi tie palīdz kompensēt slodzes, kas uzkrājas atkārtotas termiskās velmēšanas laikā. Turklāt keramikas materiāliem ir zems dielektriskais zudums frekvencēs līdz 10 GHz. Augstākām frekvencēm vienmēr ir iespējams izvēlēties hibrīda materiālus (piemēram, PTFE), kas nodrošina tādus pašus zemus zudumus, bet ar mērenu siltumvadītspējas samazinājumu.
Jo augstāka ir materiāla siltumvadītspēja, jo ātrāka ir siltuma pārnese. Tādējādi papildus tam, ka metāli, piemēram, alumīnijs, ir vieglāki par keramiku, tie piedāvā lielisku risinājumu siltuma pārnešanai prom no sastāvdaļām. Jo īpaši alumīnijs ir arī lielisks vadītājs, tam ir lieliska izturība, tas ir pārstrādājams un nav toksisks. Pateicoties augstajai siltuma vadītspējai, metāla slānis palīdz ātri pārnest siltumu visā dēlī. Daži ražotāji piedāvā arī ar metālu pārklātus PCB, kur abi ārējie slāņi ir pārklāti ar metālu, parasti alumīnijs vai cinkots varš. Alumīnijs ir labākā izvēle no izmaksu uz svaru viedokļa, savukārt vara siltuma vadītspēja ir augstāka. Alumīnijs tiek plaši izmantots arī PCB izgatavošanai, kas atbalsta lieljaudas gaismas diodes (kā parādīts piemērā 2. attēlā), kur īpaši noderīga ir arī tā spēja atstarot gaismu prom no pamatnes.
Pat sudrabu, pateicoties tā siltumvadītspējai, kas ir par aptuveni 5% augstāka nekā varš, var izmantot arī, lai izveidotu izlīdzinājumus, vias, spilventiņus un metāla slāņus. Turklāt, ja dēlis tiek izmantots mitrā vidē, kur pastāv toksiskas gāzes, sudraba apdares izmantošana uz tukšiem vara izlīdzinājumiem un vara lodēšanas spilventiņiem palīdzēs novērst koroziju - tipisku apdraudējumu, kas pazīstams šādās vidēs.
Metāla PCB, kas pazīstami arī kā izolētas metāla pamatnes (IMS), var laminēt tieši PCB, lai izveidotu plāksnes ar FR-4 pamatnēm un metāla serdeņiem. Tiek izmantotas viena un divu slāņu tehnoloģijas ar dziļuma kontrolētu vadu, ar kuru siltumu var pārnest no borta komponentiem uz mazāk kritiskām vietām. IMS PCB starp metāla pamatni un vara foliju ir laminēts plāns termiski vadoša, bet elektriski izolējoša dielektriska slānis. Vara folija ir iegravēta vēlamajā ķēdes modelī, un metāla substrāts absorbē siltumu no ķēdes caur šo plāno dielektriķi.
Galvenās IMS PCB piedāvātās priekšrocības ir šādas.
-Ievērojami lielāka siltuma izkliede nekā standarta FR-4 konstrukcijām.
-Dielektriskā siltumvadītspēja parasti ir 5 līdz 10 reizes lielāka nekā parastajam epoksīda stiklam.
-Siltuma pārneses efektivitāte ir daudz augstāka nekā parastajiem PCB.
Papildus LED tehnoloģijai (izgaismotām zīmēm, displejiem un apgaismojumam) IMS PCB tiek plaši izmantoti automobiļu rūpniecībā (priekšējie lukturi, dzinēja vadības ierīces un stūres pastiprinātājs), jaudas elektronikā (līdzstrāvas barošanas avoti, invertori un dzinēja vadības ierīces), slēdžos un pusvadītāju relejos.