อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังทั้งหมด ซึ่งรวมถึงแอปพลิเคชัน RF และระบบที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณความเร็วสูง กำลังก้าวไปสู่โซลูชันที่ให้ฟังก์ชันการทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้นในพื้นที่ที่มีขนาดเล็กลง นักออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายที่เพิ่มมากขึ้นในการตอบสนองความต้องการของระบบ ขนาด น้ำหนัก และกำลัง รวมถึงการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งจะเริ่มต้นด้วยการออกแบบ PCB
อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานสูง (เช่น ทรานซิสเตอร์ MOSFET) ปล่อยความร้อนจำนวนมาก ซึ่งต้องใช้ PCB ที่สามารถถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบที่ร้อนที่สุดไปยังพื้นหรือพื้นผิวของตัวระบายความร้อนเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด ความเครียดจากความร้อนเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของความล้มเหลวของอุปกรณ์ไฟฟ้า เนื่องจากอาจทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง และอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบหรือการทำงานผิดพลาดได้ การเติบโตอย่างรวดเร็วของความหนาแน่นพลังงานของอุปกรณ์และความถี่ที่เพิ่มขึ้นเป็นสาเหตุหลักของความร้อนสูงเกินไปในส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์ที่มีการสูญเสียพลังงานต่ำกว่าและการนำความร้อนที่ดีขึ้น เช่น วัสดุที่มีแถบกว้าง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ สารกึ่งตัวนำเหล่านี้ยังไม่เพียงพอในการกำจัดความจำเป็นในการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ
อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ซิลิกอนในปัจจุบันสามารถทำได้ที่อุณหภูมิทางแยกระหว่างประมาณ 125 องศาถึง 200 องศา อย่างไรก็ตาม ขอแนะนำให้อนุญาตให้อุปกรณ์ทำงานเสมอโดยไม่เกินสภาวะที่จำกัดนี้ เพื่อหลีกเลี่ยงอายุอุปกรณ์อย่างรวดเร็วและทำให้อายุการใช้งานที่เหลืออยู่สั้นลง ตามจริงแล้ว คาดว่าหากการจัดการระบายความร้อนที่ไม่เหมาะสมทำให้อุณหภูมิในการทำงานเพิ่มขึ้น 20 องศา อายุการใช้งานที่เหลือของส่วนประกอบจะลดลงถึง 50 เปอร์เซ็นต์
เค้าโครงการเดินสายไฟ (เค้าโครง) วิธีการ
วิธีการจัดการระบายความร้อนทั่วไปที่ใช้ในหลายโครงการคือการใช้ซับสเตรตสารหน่วงไฟคลาส 4 (FR-4) มาตรฐาน ซึ่งเป็นวัสดุที่ราคาไม่แพงและง่ายต่อการประมวลผล โดยมุ่งเน้นที่การปรับให้เหมาะสมทางความร้อนของโครงร่างวงจร
มาตรการหลักที่ใช้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มพื้นผิวทองแดง โดยใช้การจัดตำแหน่งที่หนาขึ้น และการใส่แผ่นระบายความร้อนภายใต้ส่วนประกอบที่สร้างความร้อนมากที่สุด เทคนิคที่รุนแรงกว่าในการกระจายความร้อนมากขึ้นคือการใส่หรือใช้บล็อกทองแดงจริงกับ PCB หรือกับชั้นนอกสุด ซึ่งมักจะอยู่ในรูปทรงของเหรียญ จึงเป็นที่มาของชื่อ "เหรียญทองแดง" หลังจากการประมวลผลเหรียญทองแดงแยกจากกัน ก็สามารถบัดกรีหรือต่อเข้ากับ PCB ได้โดยตรง หรือสามารถใส่เข้าไปในชั้นในและเชื่อมต่อกับชั้นนอกผ่านแผงระบายความร้อน PCB ที่แสดงในรูปที่ 1 ทำขึ้นในช่องพิเศษเพื่อรองรับเหรียญทองแดง
ทองแดงมีค่าการนำความร้อน 380 W/mK เทียบกับ 225 W/mK สำหรับอะลูมิเนียม และ 0.3 W/mK สำหรับ FR-4 ทองแดงเป็นโลหะที่มีราคาไม่แพงนักที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต PCB; ดังนั้นจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทำเหรียญทองแดง รูระบายความร้อน และชั้นพื้นดิน - โซลูชันทั้งหมดที่ช่วยปรับปรุงการกระจายความร้อน
ตำแหน่งที่ถูกต้องของอุปกรณ์ที่ใช้งานบนบอร์ดเป็นปัจจัยสำคัญในการป้องกันไม่ให้เกิดจุดร้อน จึงมั่นใจได้ว่าจะกระจายความร้อนอย่างเท่าเทียมกันทั่วกระดาน ในเรื่องนี้ อุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ควรถูกกระจายไปรอบๆ PCB โดยไม่เรียงลำดับโดยเฉพาะ ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงการก่อตัวของจุดร้อนในพื้นที่เฉพาะ อย่างไรก็ตาม ทางที่ดีควรหลีกเลี่ยงการวางอุปกรณ์แอคทีฟที่สร้างความร้อนมากไว้ใกล้ขอบบอร์ด แต่ควรวางไว้ใกล้กับศูนย์กลางของกระดานให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งจะทำให้กระจายความร้อนได้สม่ำเสมอ หากติดตั้งอุปกรณ์กำลังแรงสูงไว้ใกล้ขอบกระดาน อุปกรณ์จะสะสมความร้อนที่ขอบ ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิในพื้นที่เพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน หากวางไว้ใกล้กึ่งกลางกระดาน ความร้อนจะกระจายไปทั่วทุกทิศทางตามพื้นผิว ทำให้ลดอุณหภูมิได้ง่ายขึ้นและกระจายความร้อนได้ง่ายขึ้น ไม่ควรวางอุปกรณ์ไฟฟ้าไว้ใกล้กับส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อน และควรเว้นระยะห่างกันอย่างเหมาะสม
มาตรการที่ดำเนินการในระดับเค้าโครงสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยใช้ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟและระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟ (เช่น ฮีตซิงก์หรือพัดลม) - ระบบดังกล่าวสามารถขจัดความร้อนออกจากอุปกรณ์ที่ทำงานอยู่ แทนที่จะปล่อยความร้อนเข้าสู่บอร์ดโดยตรง โดยทั่วไปแล้ว นักออกแบบจะต้องค้นหาการประนีประนอมที่เหมาะสมระหว่างกลยุทธ์การจัดการระบายความร้อนที่แตกต่างกัน โดยขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของการใช้งานเฉพาะและงบประมาณที่มี
การเลือกพื้นผิว PCB
โดยทั่วไปแล้ว FR{{0}} จะไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการกระจายความร้อนจำนวนมากเนื่องจากค่าการนำความร้อนต่ำ (ระหว่าง 0.2 ถึง 0.5 W/mK) ความร้อนที่เกิดขึ้นในวงจรกำลังสูงอาจมีค่ามาก และระบบเหล่านี้มักทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและอุณหภูมิที่สูงเกินไป การใช้วัสดุซับสเตรตทางเลือกที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่าการใช้ FR-4 แบบดั้งเดิม
ตัวอย่างเช่น วัสดุเซรามิกมีข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการจัดการความร้อนของ PCB กำลังสูง วัสดุดังกล่าว นอกจากการปรับปรุงการนำความร้อนแล้ว ยังมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม และช่วยชดเชยความเครียดที่สะสมในระหว่างการหมุนเวียนความร้อนซ้ำๆ นอกจากนี้ วัสดุเซรามิกยังมีการสูญเสียอิเล็กทริกต่ำที่ความถี่สูงถึง 10 GHz สำหรับความถี่ที่สูงขึ้น สามารถเลือกวัสดุไฮบริดได้เสมอ (เช่น PTFE) ซึ่งให้การสูญเสียต่ำเหมือนกัน แต่มีค่าการนำความร้อนลดลงปานกลาง
ยิ่งวัสดุมีการนำความร้อนสูง การถ่ายเทความร้อนก็จะยิ่งเร็วขึ้น ดังนั้น นอกจากจะมีน้ำหนักเบากว่าเซรามิกแล้ว โลหะ เช่น อะลูมิเนียมยังเป็นทางออกที่ดีเยี่ยมสำหรับการถ่ายเทความร้อนออกจากส่วนประกอบต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอะลูมิเนียมยังเป็นตัวนำที่ดีเยี่ยม มีความทนทานดีเยี่ยม นำไปรีไซเคิลได้ และปลอดสารพิษ เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนสูง ชั้นโลหะจึงช่วยถ่ายเทความร้อนได้อย่างรวดเร็วทั่วทั้งบอร์ด ผู้ผลิตบางรายยังเสนอ PCB ที่หุ้มด้วยโลหะโดยที่ชั้นนอกทั้งสองนั้นหุ้มด้วยโลหะ โดยปกติแล้วจะเป็นอะลูมิเนียมหรือทองแดงชุบสังกะสี อะลูมิเนียมเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดเมื่อพิจารณาจากราคาต่อน้ำหนัก ในขณะที่ทองแดงมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า อลูมิเนียมยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต PCB ที่รองรับ LED กำลังสูง (ดังแสดงในตัวอย่างในรูปที่ 2) ซึ่งความสามารถในการสะท้อนแสงออกจากพื้นผิวก็มีประโยชน์เช่นกัน
แม้กระทั่งเงิน เนื่องจากการนำความร้อนที่สูงกว่าทองแดงประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ ก็สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างการเรียงตัว จุดแวะ แผ่นอิเล็กโทรด และชั้นโลหะได้ นอกจากนี้ หากใช้บอร์ดในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นซึ่งมีก๊าซพิษ การใช้พื้นผิวสีเงินบนการจัดตำแหน่งทองแดงเปล่าและแผ่นบัดกรีทองแดงจะช่วยป้องกันการกัดกร่อน ซึ่งเป็นภัยคุกคามทั่วไปที่ทราบในสภาพแวดล้อมดังกล่าว
PCB โลหะหรือที่เรียกว่าพื้นผิวโลหะหุ้มฉนวน (IMS) สามารถเคลือบลงใน PCB ได้โดยตรงเพื่อสร้างบอร์ดที่มีพื้นผิว FR-4 และแกนโลหะ ใช้เทคโนโลยีชั้นเดียวและสองชั้น โดยมีการเดินสายไฟแบบควบคุมความลึก จึงสามารถถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบออนบอร์ดไปยังบริเวณที่มีความสำคัญน้อยกว่าได้ ใน IMS PCBs ชั้นบาง ๆ ของอิเล็กทริกที่นำความร้อนแต่เป็นฉนวนไฟฟ้าถูกเคลือบระหว่างพื้นผิวโลหะและฟอยล์ทองแดง ฟอยล์ทองแดงถูกแกะสลักในรูปแบบวงจรที่ต้องการและพื้นผิวโลหะดูดซับความร้อนจากวงจรผ่านอิเล็กทริกบาง ๆ นี้
ข้อได้เปรียบหลักที่นำเสนอโดย IMS PCBs มีดังนี้
- การกระจายความร้อนสูงกว่าโครงสร้าง FR-4 มาตรฐานอย่างมีนัยสำคัญ
- ค่าการนำความร้อนของไดอิเล็กตริกโดยทั่วไปจะสูงกว่ากระจกอีพ็อกซี่ธรรมดา 5-10 เท่า
- ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูงกว่า PCB ทั่วไปมาก
นอกจากเทคโนโลยี LED (ป้ายเรืองแสง จอแสดงผล และไฟ) IMS PCB ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ (ไฟหน้า ระบบควบคุมเครื่องยนต์ และพวงมาลัยพาวเวอร์) อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (อุปกรณ์จ่ายไฟ DC อินเวอร์เตอร์ และระบบควบคุมเครื่องยนต์) สวิตช์และรีเลย์เซมิคอนดักเตอร์ .