Quản lý nhiệt của PCB công suất cao

Các nhà thiết kế phải đối mặt với các vấn đề phức tạp TRONG việc đáp ứng các yêu cầu về nguồn điện, bao gồm quản lý nhiệt hiệu quả, bắt đầu từ thiết kế PCB. Toàn bộ lĩnh vực điện-điện tử, bao gồm các ứng dụng RF và hệ thống liên quan đến tín hiệu tốc độ cao, đang phát triển hướng tới các giải pháp cung cấp các chức năng ngày càng phức tạp hơn bao giờ hết. -không gian nhỏ hơn. Các nhà thiết kế phải đối mặt với những thách thức ngày càng khắt khe để đáp ứng các yêu cầu về kích thước, trọng lượng và điện năng của hệ thống, bao gồm quản lý nhiệt hiệu quả, bắt đầu từ việc thiết kế bảng mạch in.

Các thiết bị nguồn hoạt động mật độ tích hợp cao, chẳng hạn như bóng bán dẫn MOSFET, có thể tiêu tán một lượng nhiệt đáng kể và do đó yêu cầu PCB có thể truyền nhiệt từ các bộ phận nóng nhất đến mặt đất hoặc bề mặt tản nhiệt, hoạt động hiệu quả và hiệu quả nhất có thể. Ứng suất nhiệt là một trong những nguyên nhân chính gây ra trục trặc cho các thiết bị điện, vì nó dẫn đến suy giảm hiệu suất hoặc thậm chí có thể khiến hệ thống gặp trục trặc hoặc hỏng hóc. Sự tăng trưởng nhanh chóng của mật độ năng lượng của thiết bị và tần số tăng liên tục là những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng quá mức của các linh kiện điện tử. Việc sử dụng ngày càng rộng rãi các chất bán dẫn có khả năng giảm tổn thất điện năng và dẫn nhiệt tốt hơn, chẳng hạn như các vật liệu có dải rộng, bản thân nó không đủ để loại bỏ nhu cầu quản lý nhiệt hiệu quả.

Các thiết bị năng lượng dựa trên silicon hiện nay đạt được nhiệt độ tiếp giáp trong khoảng từ 125˚C đến 200˚C. Tuy nhiên, tốt nhất là để thiết bị hoạt động dưới giới hạn này, vì điều này sẽ dẫn đến sự xuống cấp nhanh chóng của thiết bị và giảm tuổi thọ còn lại của nó. Trên thực tế, người ta ước tính rằng nhiệt độ vận hành tăng thêm 20˚C do quản lý nhiệt không đúng cách có thể làm giảm tuổi thọ còn lại của các bộ phận tới 50%.

Cách tiếp cận bố cục:

Một cách tiếp cận để quản lý nhiệt thường được áp dụng trong nhiều dự án là sử dụng chất nền có chất chống cháy cấp 4 (FR-4 tiêu chuẩn), một loại vật liệu rẻ tiền và dễ thi công, tập trung vào việc tối ưu hóa nhiệt của bố cục mạch điện.

Các biện pháp chính được áp dụng liên quan đến việc cung cấp thêm bề mặt đồng, sử dụng các vết có độ dày lớn hơn và đưa nhiệt qua bên dưới các bộ phận tạo ra lượng nhiệt lớn nhất. Một kỹ thuật mạnh mẽ hơn, có khả năng tản nhiệt lớn hơn, bao gồm việc chèn vào PCB hoặc áp dụng các khối đồng thật lên lớp ngoài cùng, thường có hình dạng đồng xu (do đó có tên là "đồng xu"). Các đồng xu được xử lý riêng biệt và sau đó được hàn hoặc gắn trực tiếp vào PCB, hoặc chúng có thể được chèn vào các lớp bên trong và kết nối với các lớp bên ngoài thông qua các via nhiệt. Hình 1 cho thấy một PCB trong đó một khoang đặc biệt được chế tạo để chứa đồng xu.

Đồng có hệ số dẫn nhiệt là 380 W/mK, so với 225 W/mK của nhôm và 0,3 W/mK của FR-4. Đồng là kim loại tương đối rẻ và đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất PCB; do đó, nó là sự lựa chọn lý tưởng để chế tạo đồng xu, via nhiệt và mặt phẳng mặt đất, tất cả các giải pháp có khả năng cải thiện khả năng tản nhiệt.

Vị trí thích hợp của các thành phần hoạt động trên bo mạch là yếu tố quan trọng trong việc ngăn chặn sự hình thành các điểm nóng, từ đó đảm bảo nhiệt được phân bổ đều nhất có thể dọc theo toàn bộ bo mạch. Về vấn đề này, các thành phần hoạt động không được phân bố theo thứ tự cụ thể xung quanh PCB để tránh hình thành các điểm nóng ở một khu vực cụ thể. Tuy nhiên, tốt hơn hết bạn nên tránh đặt các bộ phận hoạt động tạo ra lượng nhiệt đáng kể gần các cạnh của bo mạch. Ngược lại, chúng nên được đặt càng gần tâm bảng càng tốt, giúp phân bổ nhiệt đều. Nếu một thiết bị công suất cao được gắn gần mép bo mạch, nó sẽ tích tụ nhiệt ở mép, làm tăng nhiệt độ cục bộ. Ngược lại, nếu đặt gần tâm bo mạch thì nhiệt lượng sẽ tản ra trên bề mặt theo mọi hướng, làm giảm nhiệt độ và tản nhiệt dễ dàng hơn. Không nên đặt các thiết bị nguồn gần các bộ phận nhạy cảm và phải cách xa nhau một cách hợp lý.

Lựa chọn chất nền PCB:

Do độ dẫn nhiệt thấp — từ {{0}}.2 đến 0,5 W/mK — FR-4 thường không phù hợp cho các ứng dụng cần tiêu tán một lượng nhiệt lớn. Nhiệt lượng có thể tích tụ trong các mạch công suất cao là rất lớn, cộng với thực tế là 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.

Ví dụ, vật liệu gốm mang lại những lợi thế đáng kể cho việc quản lý nhiệt của PCB công suất cao. Ngoài khả năng dẫn nhiệt được cải thiện, những vật liệu này còn mang lại các đặc tính cơ học tuyệt vời giúp bù đắp ứng suất tích lũy trong quá trình luân chuyển nhiệt lặp đi lặp lại. Ngoài ra, vật liệu gốm có tổn thất điện môi thấp hơn khi hoạt động ở tần số lên tới 10 GHz. Đối với tần số cao hơn, luôn có thể lựa chọn vật liệu lai (chẳng hạn như PTFE), mang lại tổn thất thấp tương đương với độ dẫn nhiệt giảm ở mức vừa phải.

Độ dẫn nhiệt của vật liệu càng cao thì quá trình truyền nhiệt càng nhanh. Theo đó, các kim loại như nhôm, ngoài việc nhẹ hơn gốm, còn mang lại giải pháp tuyệt vời để truyền nhiệt ra khỏi các bộ phận. Nhôm đặc biệt là chất dẫn điện tuyệt vời, có độ bền tuyệt vời, có thể tái chế và không độc hại. Nhờ tính dẫn nhiệt cao, các 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 mạ kim loại, thường là nhôm hoặc đồng mạ kẽm. Từ quan điểm chi phí trên mỗi đơn vị trọng lượng, nhôm là lựa chọn tốt nhất, trong khi đồng có tính dẫn nhiệt cao hơn. Nhôm được sử dụng rộng rãi để chế tạo PCB hỗ trợ đèn LED công suất cao (ví dụ được hiển thị trong Hình 2), trong đó nhôm cũng đặc biệt hữu ích vì khả năng phản xạ ánh sáng ra khỏi chất nền.

PCB kim loại, còn được gọi là chất nền kim loại cách điện (IMS), có thể được dát mỏng trực tiếp vào PCB, tạo ra bo mạch có chất nền FR-4 và lõi kim loại với công nghệ một lớp và hai lớp với định tuyến kiểm soát độ sâu, giúp truyền nhiệt ra khỏi các bộ phận trên bo mạch và đến các khu vực ít quan trọng hơn. Trong IMS PCB, một lớp mỏng chất điện môi dẫn nhiệt nhưng cách điện được dát mỏng giữa đế kim loại và lá đồng. Lá đồng được khắc thành dạng mạch mong muốn và đế kim loại sẽ hấp thụ nhiệt từ mạch này thông qua lớp điện môi mỏng.

Những ưu điểm chính được cung cấp bởi IMS PCB như sau:

1. Khả năng tản nhiệt cao hơn đáng kể so với cấu trúc FR{1}} tiêu chuẩn.

2. Các chất điện môi thường dẫn nhiệt cao hơn từ 5× đến 10× so với kính epoxy thông thường.

3. Truyền nhiệt hiệu quả hơn gấp nhiều lần so với PCB thông thường.

4. Bên cạnh công nghệ LED (biển báo, màn hình và đèn chiếu sáng), bảng mạch IMS được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô (đèn pha, điều khiển động cơ và trợ lực lái), trong điện tử công suất (nguồn DC, bộ biến tần và điều khiển động cơ) , trong các thiết bị chuyển mạch và trong rơle bán dẫn.