Toàn bộ ngành công nghiệp điện tử công suất, bao gồm các ứng dụng và hệ thống RF liên quan đến tín hiệu tốc độ cao, đang hướng tới các giải pháp cung cấp chức năng ngày càng phức tạp trong không gian ngày càng nhỏ hơn. Các nhà thiết kế đang phải đối mặt với những thách thức ngày càng khắt khe trong việc đáp ứng các yêu cầu về kích thước, trọng lượng và công suất hệ thống, bao gồm quản lý nhiệt hiệu quả, từ đó bắt đầu bằng việc thiết kế PCB.
Các thiết bị điện hoạt động tích hợp cao (ví dụ: bóng bán dẫn MOSFET) tỏa ra một lượng nhiệt lớn, đòi hỏi PCB có thể truyền nhiệt từ các thành phần nóng nhất xuống mặt đất hoặc bề mặt tản nhiệt để hoạt động hiệu quả nhất có thể. Ứng suất nhiệt là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự cố thiết bị điện, vì nó có thể gây suy giảm hiệu suất và thậm chí có thể dẫn đến lỗi hệ thống hoặc sự cố. Sự tăng trưởng nhanh chóng của mật độ năng lượng thiết bị và tần số ngày càng tăng là những nguyên nhân chính gây ra quá nhiệt trong các linh kiện điện tử. Trong khi các chất bán dẫn có tổn thất điện năng thấp hơn và độ dẫn nhiệt tốt hơn, chẳng hạn như vật liệu dải rộng, đang được sử dụng ngày càng rộng rãi hơn, bản thân chúng không đủ để loại bỏ nhu cầu quản lý nhiệt hiệu quả.
Các thiết bị năng lượng dựa trên silicon hiện tại có thể đạt được ở nhiệt độ nối giữa khoảng 125 ° C và 200 ° C. Tuy nhiên, mong muốn luôn cho phép thiết bị hoạt động mà không vượt quá điều kiện giới hạn này, do đó tránh được sự lão hóa nhanh chóng của thiết bị và rút ngắn tuổi thọ còn lại của thiết bị. Trên thực tế, người ta ước tính rằng nếu quản lý nhiệt không đúng cách dẫn đến nhiệt độ hoạt động tăng 20 ° C, thì kết quả là giảm tuổi thọ còn lại của thành phần sẽ lên tới 50%.
Phương pháp layout wiring (bố trí)
Một phương pháp quản lý nhiệt phổ biến được sử dụng trong nhiều dự án là sử dụng chất nền lớp 4 (FR-4) chống cháy tiêu chuẩn, đây là một vật liệu rẻ tiền và dễ gia công, tập trung vào việc tối ưu hóa nhiệt của bố trí mạch.
Các biện pháp chính được sử dụng liên quan đến việc cung cấp thêm bề mặt đồng, sử dụng các căn chỉnh dày hơn và chèn tản nhiệt dưới các thành phần tạo ra nhiều nhiệt nhất. Một kỹ thuật triệt để hơn để tản nhiệt nhiều hơn liên quan đến việc chèn hoặc áp dụng một khối đồng thật vào PCB hoặc vào lớp ngoài cùng, thường có hình dạng của một đồng xu, do đó có tên là "đồng xu đồng". Sau khi xử lý đồng xu riêng biệt, nó có thể được hàn hoặc gắn trực tiếp vào PCB, hoặc nó có thể được đưa vào lớp bên trong và kết nối với lớp bên ngoài thông qua tản nhiệt. PCB thể hiện trong Hình 1 được tạo ra trong một khoang đặc biệt để chứa một đồng xu đồng.
Đồng có độ dẫn nhiệt là 380 W / mK, so với 225 W / mK đối với nhôm và 0,3 W / mK đối với FR-4. Đồng là một kim loại tương đối rẻ tiền đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất PCB; do đó, nó là lý tưởng để làm tiền đồng, lỗ tản nhiệt và các lớp mặt đất - tất cả các giải pháp cải thiện khả năng tản nhiệt.
Vị trí chính xác của các thiết bị hoạt động trên bo mạch là yếu tố quan trọng trong việc ngăn chặn các điểm nóng hình thành, do đó đảm bảo rằng nhiệt được phân phối đồng đều nhất có thể trên bảng. Về vấn đề này, các thiết bị hoạt động nên được phân phối xung quanh PCB theo thứ tự cụ thể, do đó tránh sự hình thành các điểm nóng ở các khu vực cụ thể. Tuy nhiên, tốt nhất là tránh đặt các thiết bị hoạt động tạo ra nhiều nhiệt gần mép bảng. Thay vào đó, chúng nên được đặt càng gần trung tâm của bảng càng tốt, do đó tạo điều kiện phân phối nhiệt đồng đều. Nếu các thiết bị công suất cao được lắp đặt gần mép bo mạch, chúng sẽ tích tụ nhiệt ở cạnh, do đó làm tăng nhiệt độ cục bộ. Mặt khác, nếu chúng được đặt gần trung tâm của bảng, nhiệt sẽ được phân phối theo mọi hướng dọc theo bề mặt, giúp giảm nhiệt độ dễ dàng hơn và dễ dàng phân phối nhiệt hơn. Các thiết bị nguồn không nên được đặt gần các thành phần nhạy cảm và nên được đặt đúng khoảng cách với nhau.
Các biện pháp được thực hiện ở cấp độ bố trí có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách sử dụng các hệ thống làm mát chủ động và làm mát thụ động (chẳng hạn như tản nhiệt hoặc quạt) - các hệ thống như vậy có thể loại bỏ nhiệt khỏi các thiết bị đang hoạt động, thay vì phát ra trực tiếp vào bo mạch. Nói chung, các nhà thiết kế phải tìm ra sự thỏa hiệp phù hợp giữa các chiến lược quản lý nhiệt khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thể và ngân sách có sẵn.
Lựa chọn chất nền PCB
FR-4 thường không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tản một lượng nhiệt lớn do độ dẫn nhiệt thấp (từ 0,2 đến 0,5 W / mK). Nhiệt sinh ra trong các mạch công suất cao có thể là đáng kể, và các hệ thống này thường hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và nhiệt độ khắc nghiệt. Sử dụng vật liệu nền thay thế có độ dẫn nhiệt cao hơn có thể là lựa chọn tốt hơn so với sử dụng FR-4 truyền thống.
Vật liệu gốm, ví dụ, cung cấp những lợi thế đáng kể để quản lý nhiệt của PCB công suất cao. Các vật liệu như vậy, ngoài việc cải thiện độ dẫn nhiệt, còn có các tính chất cơ học tuyệt vời và do đó giúp bù đắp cho các ứng suất tích lũy trong quá trình đạp xe nhiệt lặp đi lặp lại. Ngoài ra, vật liệu gốm có tổn thất điện môi thấp ở tần số lên tới 10 GHz. Đối với tần số cao hơn, luôn có thể chọn vật liệu lai (ví dụ: PTFE), cung cấp cùng một tổn thất thấp nhưng với độ dẫn nhiệt giảm vừa phải.
Độ dẫn nhiệt của vật liệu càng cao, truyền nhiệt càng nhanh. Do đó, ngoài việc nhẹ hơn gốm sứ, các kim loại như nhôm còn cung cấp một giải pháp tuyệt vời để truyền nhiệt ra khỏi các thành phần. Nhôm nói riêng cũng là một chất dẫn điện tuyệt vời, có độ bền tuyệt vời, có thể tái chế và không độc hại. Do tính dẫn nhiệt cao, lớp kim loại giúp truyền nhiệt nhanh chóng khắp bo mạch. Một số nhà sản xuất cũng cung cấp PCB phủ kim loại, trong đó cả hai lớp bên ngoài đều được phủ kim loại, thường là nhôm hoặc đồng mạ kẽm. Nhôm là sự lựa chọn tốt nhất từ góc độ chi phí cho mỗi trọng lượng, trong khi đồng có độ dẫn nhiệt cao hơn. Nhôm cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo PCB hỗ trợ đèn LED công suất cao (như trong ví dụ trong Hình 2), trong đó khả năng phản xạ ánh sáng ra khỏi chất nền cũng đặc biệt hữu ích.
Ngay cả bạc, do độ dẫn nhiệt của nó cao hơn khoảng 5% so với đồng, cũng có thể được sử dụng để tạo ra sự liên kết, vias, miếng đệm và các lớp kim loại. Ngoài ra, nếu bo mạch được sử dụng trong môi trường ẩm ướt, nơi tồn tại khí độc, việc sử dụng hoàn thiện bạc trên các căn chỉnh đồng trần và miếng hàn đồng sẽ giúp ngăn ngừa ăn mòn - một mối đe dọa điển hình được biết đến trong các môi trường như vậy.
PCB kim loại, còn được gọi là chất nền kim loại cách điện (IMS), có thể được ép trực tiếp vào PCB để tạo thành các bảng có chất nền FR-4 và lõi kim loại. Các công nghệ một lớp và hai lớp được sử dụng, với hệ thống dây điện được kiểm soát độ sâu, theo đó nhiệt có thể được truyền từ các bộ phận trên tàu đến các khu vực ít quan trọng hơn. Trong IMS PCB, một lớp mỏng điện môi dẫn nhiệt nhưng cách điện được ép giữa chất nền kim loại và lá đồng. Lá đồng được khắc vào mẫu mạch mong muốn và chất nền kim loại hấp thụ nhiệt từ mạch thông qua chất điện môi mỏng này.
Những lợi thế chính được cung cấp bởi IMS PCB như sau.
-Tản nhiệt cao hơn đáng kể so với các cấu trúc FR-4 tiêu chuẩn.
-Độ dẫn nhiệt của chất điện môi thường cao hơn từ 5 đến 10 lần so với kính epoxy thông thường.
-Hiệu quả truyền nhiệt cao hơn nhiều so với PCB thông thường.
Ngoài công nghệ LED (bảng hiệu, màn hình và ánh sáng được chiếu sáng), IMS PCB được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô (đèn pha, điều khiển động cơ và trợ lực lái), điện tử công suất (bộ nguồn DC, biến tần và điều khiển động cơ), công tắc và rơle bán dẫn.