แนวทางการจัดการความร้อนของ PCBs กำลังสูง

   นักออกแบบต้องเผชิญกับปัญหาที่ซับซ้อนในการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านพลังงาน ซึ่งรวมถึงการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ โดยเริ่มจากการออกแบบ PCB

     ภาคพลังงาน-อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด รวมถึงแอปพลิเคชัน RF และระบบที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณความเร็วสูง กำลังพัฒนาไปสู่โซลูชันที่ให้ฟังก์ชันการทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้นในพื้นที่ที่เล็กลง นักออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายที่เพิ่มมากขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการด้านขนาด น้ำหนัก และพลังงานของระบบ ซึ่งรวมถึงการจัดการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ โดยเริ่มจากการออกแบบแผงวงจรพิมพ์

  อุปกรณ์ไฟฟ้าแอ็คทีฟที่มีความหนาแน่นสูง เช่น ทรานซิสเตอร์ MOSFET สามารถกระจายความร้อนจำนวนมากได้ ดังนั้นจึงต้องการ PCB ที่สามารถถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบที่ร้อนที่สุดไปยังระนาบพื้นหรือพื้นผิวที่กระจายความร้อน ซึ่งทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ความเครียดจากความร้อนเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่งที่ทำให้อุปกรณ์จ่ายไฟทำงานผิดปกติ เนื่องจากจะทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง หรือแม้แต่การทำงานผิดพลาดหรือล้มเหลวของระบบ การเติบโตอย่างรวดเร็วของความหนาแน่นพลังงานของอุปกรณ์และความถี่ที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ร้อนมากเกินไป การใช้เซมิคอนดักเตอร์อย่างแพร่หลายมากขึ้นโดยมีการสูญเสียพลังงานลดลงและมีค่าการนำความร้อนที่ดีขึ้น เช่น วัสดุที่มีแถบความถี่กว้าง ยังไม่เพียงพอที่จะขจัดความจำเป็นในการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ

    อุปกรณ์จ่ายไฟที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันมีอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อระหว่างประมาณ 125˚C ถึง 200˚C อย่างไรก็ตาม เป็นการดีกว่าเสมอที่จะทำให้อุปกรณ์ทำงานต่ำกว่าขีดจำกัดนี้ เนื่องจากจะนำไปสู่การเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วของสิ่งเดียวกันและอายุการใช้งานที่เหลืออยู่ลดลง ในความเป็นจริง มีการประเมินว่าอุณหภูมิในการทำงานที่เพิ่มขึ้น 20˚C ซึ่งเกิดจากการจัดการระบายความร้อนที่ไม่เหมาะสม สามารถลดอายุการใช้งานที่เหลืออยู่ของส่วนประกอบต่างๆ ได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์

วิธีการจัดวาง:

  แนวทางการจัดการระบายความร้อนโดยทั่วไปในหลายโครงการคือการใช้วัสดุพิมพ์ที่มีสารหน่วงการติดไฟมาตรฐานระดับ 4 (FR-4) ซึ่งเป็นวัสดุราคาไม่แพงและใช้งานได้ง่าย โดยเน้นที่การเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนของเค้าโครงวงจร

มาตรการหลักที่นำมาใช้เกี่ยวข้องกับการจัดหาพื้นผิวทองแดงเพิ่มเติม การใช้ร่องรอยที่มีความหนามากขึ้น และการแทรกความร้อนผ่านทางใต้ส่วนประกอบที่สร้างความร้อนในปริมาณมากที่สุด เทคนิคที่ก้าวร้าวมากขึ้นซึ่งสามารถกระจายความร้อนในปริมาณที่มากขึ้นเกี่ยวข้องกับการใส่เข้าไปใน PCB หรือการใช้บล็อกทองแดงแท้ที่ชั้นนอกสุดซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของเหรียญ (จึงเรียกว่า "เหรียญทองแดง") เหรียญทองแดงจะถูกประมวลผลแยกจากกัน จากนั้นจึงบัดกรีหรือต่อเข้ากับ PCB โดยตรง หรือสามารถใส่เข้าไปในชั้นในและเชื่อมต่อกับชั้นนอกผ่านช่องระบายความร้อน รูปที่ 1 แสดง PCB ซึ่งมีช่องพิเศษสำหรับเก็บเหรียญทองแดง

  ทองแดงมีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่ 380 W/mK เทียบกับ 225 W/mK สำหรับอะลูมิเนียม และ 0.3 W/mK สำหรับ FR-4 ทองแดงเป็นโลหะที่มีราคาถูกและใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต PCB; ดังนั้นจึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตเหรียญทองแดง จุดผ่านความร้อน และระนาบพื้น ซึ่งเป็นโซลูชั่นทั้งหมดที่สามารถปรับปรุงการกระจายความร้อน

   การวางตำแหน่งที่เหมาะสมของส่วนประกอบที่ใช้งานบนกระดานเป็นปัจจัยสำคัญในการป้องกันการก่อตัวของจุดร้อน ดังนั้นจึงมั่นใจได้ว่าความร้อนจะกระจายอย่างสม่ำเสมอมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ทั่วทั้งกระดาน ในเรื่องนี้ ส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ควรกระจายไปทั่ว PCB โดยไม่เรียงลำดับ เพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของจุดร้อนในพื้นที่เฉพาะ อย่างไรก็ตาม ควรหลีกเลี่ยงการวางส่วนประกอบที่ใช้งานซึ่งสร้างความร้อนจำนวนมากใกล้กับขอบของบอร์ด ในทางกลับกัน ควรวางให้ใกล้กับศูนย์กลางของกระดานมากที่สุด เพื่อให้กระจายความร้อนได้ทั่วถึง หากติดตั้งอุปกรณ์กำลังสูงใกล้กับขอบบอร์ด จะทำให้เกิดความร้อนขึ้นที่ขอบ ทำให้อุณหภูมิภายในเครื่องสูงขึ้น ในทางกลับกัน หากวางไว้ใกล้กึ่งกลางกระดาน ความร้อนจะกระจายไปบนพื้นผิวทุกทิศทาง ทำให้อุณหภูมิลดลงและกระจายความร้อนได้ง่ายขึ้น ไม่ควรวางอุปกรณ์จ่ายไฟใกล้กับส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อน และควรเว้นระยะห่างจากกันอย่างเหมาะสม

การเลือกพื้นผิว PCB:

เนื่องจากค่าการนำความร้อนต่ำ — ระหว่าง {{0}}.2 และ 0.5 W/mK — FR-4 โดยทั่วไปไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องกระจายความร้อนจำนวนมาก ความร้อนที่สามารถสะสมในวงจรไฟฟ้ากำลังสูงนั้นมีมาก ประกอบกับข้อเท็จจริงที่ว่าระบบเหล่านี้มักจะทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและอุณหภูมิที่สูงมาก การใช้วัสดุพื้นผิวทางเลือกที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่าการใช้ FR แบบเดิม-4

    ตัวอย่างเช่น วัสดุเซรามิกมีข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการจัดการความร้อนของ PCBs กำลังสูง นอกจากการนำความร้อนที่ดีขึ้นแล้ว วัสดุเหล่านี้ยังมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมซึ่งช่วยชดเชยความเครียดที่สะสมระหว่างการหมุนเวียนความร้อนซ้ำๆ นอกจากนี้ วัสดุเซรามิกยังมีการสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำกว่าเมื่อทำงานที่ความถี่สูงถึง 10 GHz สำหรับความถี่ที่สูงขึ้น คุณสามารถเลือกใช้วัสดุไฮบริด (เช่น PTFE) ได้เสมอ ซึ่งให้การสูญเสียที่ต่ำพอๆ กันโดยมีค่าการนำความร้อนลดลงเล็กน้อย

ยิ่งค่าการนำความร้อนของวัสดุสูงเท่าใด การถ่ายเทความร้อนก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น ตามมาด้วยโลหะ เช่น อะลูมิเนียม นอกจากจะเบากว่าเซรามิกแล้ว ยังนำเสนอทางออกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการถ่ายเทความร้อนออกจากส่วนประกอบต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอะลูมิเนียมเป็นตัวนำที่ดีเยี่ยม มีความทนทานเป็นเลิศ รีไซเคิลได้ และไม่เป็นพิษ เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนสูง ชั้นโลหะจึงช่วยถ่ายเทความร้อนทั่วทั้งกระดานได้อย่างรวดเร็ว ผู้ผลิตบางรายเสนอ PCB ที่หุ้มด้วยโลหะ โดยที่ชั้นนอกทั้งสองเป็นโลหะที่หุ้ม โดยทั่วไปจะเป็นอะลูมิเนียมหรือทองแดงเคลือบสังกะสี จากมุมมองของต้นทุนต่อหน่วยน้ำหนัก อะลูมิเนียมเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด ในขณะที่ทองแดงมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า อะลูมิเนียมถูกใช้อย่างแพร่หลายในการสร้าง PCB ที่รองรับ LED กำลังสูง (ตัวอย่างแสดงในรูปที่ 2) ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับความสามารถในการสะท้อนแสงออกจากพื้นผิว

   PCB โลหะหรือที่เรียกว่าพื้นผิวโลหะฉนวน (IMS) สามารถเคลือบลงใน PCB ได้โดยตรง ทำให้ได้บอร์ดที่มีพื้นผิว FR-4 และแกนโลหะที่มีเทคโนโลยีชั้นเดียวและสองชั้นพร้อมการกำหนดเส้นทางการควบคุมความลึก ซึ่งทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนออกจากส่วนประกอบออนบอร์ดและไปยังพื้นที่ที่สำคัญน้อยกว่า ใน IMS PCBs ชั้นบางๆ ของไดอิเล็กตริกที่นำความร้อนแต่เป็นฉนวนไฟฟ้าจะถูกเคลือบระหว่างฐานโลหะและฟอยล์ทองแดง ฟอยล์ทองแดงถูกสลักลงในรูปแบบวงจรที่ต้องการ และฐานโลหะจะดูดซับความร้อนจากวงจรนี้ผ่านไดอิเล็กตริกแบบบาง

ข้อได้เปรียบหลักที่เสนอโดย IMS PCBs มีดังต่อไปนี้:

1. การกระจายความร้อนสูงกว่ามาตรฐาน FR-4 coคำแนะนำ

2. โดยทั่วไปแล้วไดอิเล็กตริกจะนำความร้อนได้ดีกว่าแก้วอีพ็อกซี่ปกติ 5 เท่าถึง 10 เท่า

3. การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพมากกว่า PCB ทั่วไปแบบทวีคูณ

4. นอกจากเทคโนโลยี LED (สัญญาณไฟ จอแสดงผล และไฟส่องสว่าง) แผงวงจร IMS ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ (ไฟหน้า การควบคุมเครื่องยนต์ และพวงมาลัยเพาเวอร์) ในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (แหล่งจ่ายไฟ DC อินเวอร์เตอร์ และการควบคุมเครื่องยนต์) , ในสวิตช์ และในรีเลย์เซมิคอนดักเตอร์