Allur rafeindatækniiðnaðurinn, þar á meðal RF forrit og kerfi sem fela í sér háhraðamerki, er að færast í átt að lausnum sem veita sífellt flóknari virkni í sífellt smærri rýmum. Hönnuðir standa frammi fyrir sífellt krefjandi áskorunum við að uppfylla kröfur um kerfisstærð, þyngd og afl, þar á meðal skilvirka hitastjórnun, sem aftur hefst með hönnun PCB.
Mjög samþætt virk afltæki (td MOSFET smári) gefa frá sér mikið magn af hita, sem krefst PCB sem geta flutt varma frá heitustu íhlutunum til jarðar eða yfirborðs hitastigs til að starfa eins skilvirkt og mögulegt er. Hitaálag er ein helsta orsök bilunar á raforkubúnaði, þar sem það getur valdið skertri frammistöðu og getur jafnvel leitt til kerfisbilunar eða bilunar. Hraður vöxtur aflþéttleika tækisins og aukin tíðni eru helstu orsakir ofhitnunar í rafeindahlutum. Þó að hálfleiðarar með minna afltapi og betri hitaleiðni, eins og breiðbandsefni, séu notaðir í auknum mæli, duga þeir ekki ein og sér til að útrýma þörfinni fyrir skilvirka hitastjórnun.
Núverandi kísil-undirstaða afltæki er hægt að ná við mótshitastig á milli um 125 gráður og 200 gráður. Hins vegar er æskilegt að leyfa tækinu alltaf að starfa án þess að fara yfir þetta takmarkandi skilyrði, þannig að forðast hraða öldrun tækisins og stytta eftirstandandi líftíma þess. Reyndar er áætlað að ef óviðeigandi varmastjórnun leiði til 20 gráðu hækkunar á rekstrarhitastigi, muni skerðingin á eftirstandandi líftíma íhlutarins vera allt að 50 prósent.
Skipulag Raflagnir (skipulag) Aðferðafræði
Algeng hitastjórnunaraðferð sem notuð er í mörgum verkefnum er notkun venjulegs logavarnarefnis flokks 4 (FR-4) undirlags, sem er ódýrt og auðvelt að vinna úr efni sem leggur áherslu á varmahagræðingu hringrásarskipulagsins.
Helstu ráðstafanir sem notaðar eru fela í sér að útvega fleiri koparfleti, nota þykkari uppstillingar og setja hitakökur undir þá íhluti sem framleiða mestan hita. Róttækari tækni til að dreifa meiri hita felur í sér að setja eða setja alvöru koparblokk á PCB eða á ysta lagið, sem er venjulega í formi mynts, þess vegna er nafnið "koparmynt". Eftir að koparmyntin hefur verið unnin sérstaklega er hægt að lóða hana eða festa hana beint við PCB, eða setja hana í innra lagið og tengja það við ytra lagið í gegnum hitavaskinn. PCB sem sýnt er á mynd 1 er gert í sérstöku holrúmi til að hýsa koparmynt.
Kopar hefur hitaleiðni 380 W/mK, samanborið við 225 W/mK fyrir ál og 0,3 W/mK fyrir FR-4. Kopar er tiltölulega ódýr málmur sem hefur verið mikið notaður í PCB framleiðslu; því er það tilvalið til að búa til koparmynt, hitaupptökuhol og jarðlög - allt lausnir sem bæta hitaleiðni.
Rétt staðsetning virkra tækja á borðið er lykilatriði til að koma í veg fyrir að heitir blettir myndist og tryggja þannig að hita dreifist eins jafnt og hægt er yfir borðið. Í þessu sambandi ætti að dreifa virku tækjunum um PCB í engri sérstakri röð, þannig að forðast myndun heitra bletta á sérstökum svæðum. Hins vegar er best að forðast að setja virk tæki sem mynda mikinn hita nálægt brún borðsins. Þess í stað ætti að setja þær eins nálægt miðju borðsins og hægt er og auðvelda þannig jafna hitadreifingu. Ef aflmikil tæki eru sett upp nálægt brún borðsins munu þau safna hita við brúnina og hækka þannig staðbundið hitastig. Á hinn bóginn, ef þeir eru settir nálægt miðju borðsins, mun hitinn dreifast í allar áttir eftir yfirborðinu, sem gerir það auðveldara að lækka hitastigið og auðveldara að dreifa hita. Rafmagnstæki ættu ekki að vera nálægt viðkvæmum hlutum og ættu að vera á réttu bili frá hvort öðru.
Ráðstafanir sem gerðar eru á skipulagsstigi má bæta enn frekar með því að nota virkt kælikerfi og óvirk kælikerfi (svo sem hitakökur eða viftur) - slík kerfi geta fjarlægt varma frá virkum tækjum, frekar en að gefa hann beint inn í borðið. Almennt séð verða hönnuðir að finna réttu málamiðlunina milli mismunandi varmastjórnunaraðferða, allt eftir kröfum tiltekins forrits og fyrirliggjandi fjárhagsáætlun.
PCB undirlagsval
FR{{0}} hentar venjulega ekki fyrir forrit sem krefjast dreifingar á miklu magni af hita vegna lítillar varmaleiðni (á milli 0.2 og 0.5 W/mK). Hitinn sem myndast í aflhringrásum getur verið töluverður og þessi kerfi starfa oft í erfiðu umhverfi og miklum hita. Að nota annað undirlagsefni með hærri hitaleiðni gæti verið betri kostur en að nota hefðbundið FR-4.
Keramikefni, til dæmis, bjóða upp á umtalsverða kosti fyrir varmastjórnun á aflmiklum PCB-efnum. Slík efni, auk þess að bæta hitaleiðni, hafa einnig framúrskarandi vélræna eiginleika og hjálpa þannig til að bæta upp álag sem safnast upp við endurtekna hitauppstreymi. Að auki hafa keramikefni lítið raftap við tíðni allt að 10 GHz. Fyrir hærri tíðni er alltaf hægt að velja blendingsefni (td PTFE), sem veita sama lága tap en með hóflegri minnkun á hitaleiðni.
Því hærra sem hitaleiðni efnisins er, því hraðar er varmaflutningurinn. Þannig, auk þess að vera léttari en keramik, bjóða málmar eins og ál frábæra lausn til að flytja varma frá íhlutum. Sérstaklega ál er líka frábær leiðari, hefur frábæra endingu, er endurvinnanlegt og er ekki eitrað. Vegna mikillar varmaleiðni hjálpar málmlagið að flytja hita hratt um borðið. Sumir framleiðendur bjóða einnig upp á málmhúðuð PCB þar sem bæði ytri lögin eru málmklædd, venjulega áli eða galvaniseruðu kopar. Ál er besti kosturinn miðað við kostnað á þyngd, en kopar hefur meiri hitaleiðni. Ál er einnig mikið notað til að búa til PCB sem styðja stórvirka LED (eins og sýnt er í dæminu á mynd 2), þar sem hæfni þess til að endurkasta ljósi frá undirlaginu er einnig sérstaklega gagnleg.
Jafnvel silfur, vegna varmaleiðni þess sem er um það bil 5 prósent hærri en kopar, er einnig hægt að nota til að búa til röðun, gegnum, púða og málmlög. Að auki, ef borðið er notað í rakt umhverfi þar sem eitraðar lofttegundir eru til staðar, mun notkun silfurlakks á berum koparlínum og koparlóðmálmúða hjálpa til við að koma í veg fyrir tæringu - dæmigerð ógn sem þekkt er í slíku umhverfi.
Metal PCB, einnig þekkt sem einangruð málm hvarfefni (IMS), er hægt að lagskipa beint inn í PCB til að mynda borð með FR-4 hvarfefni og málmkjarna. Eins og tvöfalt lag tækni er notuð, með dýptarstýrðum raflögnum, þar sem hægt er að flytja varma frá íhlutum um borð til minna mikilvægra svæða. Í IMS PCB er þunnt lag af hitaleiðandi en rafeinangrandi rafeinangrunarefni lagskipt á milli málmundirlags og koparþynnu. Koparþynnan er ætuð inn í hringrásarmynstrið sem óskað er eftir og málmundirlagið gleypir hita frá hringrásinni í gegnum þetta þunnt rafmagn.
Helstu kostir IMS PCB eru sem hér segir.
-Verulega meiri hitaleiðni en venjuleg FR-4 mannvirki.
-Hitaleiðni rafefnisins er venjulega 5 til 10 sinnum hærri en venjulegs epoxýglers.
-Nýtni varmaflutnings er mun meiri en hefðbundinna PCB.
Auk LED tækni (upplýst skilti, skjáir og lýsing) eru IMS PCBs mikið notaðar í bílaiðnaðinum (framljós, vélastýringar og vökvastýri), rafeindatækni (DC aflgjafar, inverterar og vélstýringar), rofar og hálfleiðara lið .