हाई-पावर पीसीबी के थर्मल प्रबंधन के लिए एक दृष्टिकोण

   डिजाइनरों को बिजली की जरूरतों को पूरा करने में जटिल मुद्दों का सामना करना पड़ता है, जिसमें पीसीबी डिजाइन से शुरू होने वाले प्रभावी थर्मल प्रबंधन शामिल हैं।

     संपूर्ण पावर-इलेक्ट्रॉनिक क्षेत्र, जिसमें RF एप्लिकेशन और हाई-स्पीड सिग्नल वाले सिस्टम शामिल हैं, ऐसे समाधानों की ओर विकसित हो रहे हैं जो कभी-कभी छोटी जगहों में तेजी से जटिल कार्यात्मकता प्रदान करते हैं। डिजाइनरों को सिस्टम आकार, वजन और बिजली की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए तेजी से मांग वाली चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जिसमें प्रभावी थर्मल प्रबंधन शामिल है, जो मुद्रित-सर्किट बोर्ड के डिजाइन से शुरू होता है।

  उच्च-एकीकरण-घनत्व सक्रिय बिजली उपकरण, जैसे कि MOSFET ट्रांजिस्टर, गर्मी की एक महत्वपूर्ण मात्रा को नष्ट कर सकते हैं और इसलिए पीसीबी की आवश्यकता होती है जो गर्मी को सबसे गर्म घटकों से जमीन के विमानों या गर्मी-विघटित सतहों तक स्थानांतरित कर सकते हैं, जितना संभव हो उतना कुशलतापूर्वक और प्रभावी ढंग से संचालन करते हैं। थर्मल तनाव बिजली उपकरणों की खराबी के मुख्य कारणों में से एक है, क्योंकि यह प्रदर्शन में गिरावट या सिस्टम की संभावित खराबी या विफलता की ओर जाता है। उपकरणों की शक्ति घनत्व में तेजी से वृद्धि और आवृत्तियों में निरंतर वृद्धि मुख्य कारण हैं जो इलेक्ट्रॉनिक घटकों के अत्यधिक ताप का कारण बनते हैं। कम बिजली के नुकसान और बेहतर तापीय चालकता के साथ सेमीकंडक्टर्स का तेजी से व्यापक उपयोग, जैसे वाइड-बैंडगैप सामग्री, प्रभावी थर्मल प्रबंधन की आवश्यकता को खत्म करने के लिए पर्याप्त नहीं है।

    वर्तमान सिलिकॉन-आधारित बिजली उपकरण लगभग 125˚C और 200˚C के बीच एक जंक्शन तापमान प्राप्त करते हैं। हालांकि, डिवाइस को इस सीमा से नीचे संचालित करना हमेशा बेहतर होता है, क्योंकि इससे इसका तेजी से क्षरण होगा और इसके अवशिष्ट जीवन में कमी आएगी। वास्तव में, यह अनुमान लगाया गया है कि अनुचित थर्मल प्रबंधन के कारण ऑपरेटिंग तापमान में 20˚C की वृद्धि, घटकों के अवशिष्ट जीवन को 50 प्रतिशत तक कम कर सकती है।

लेआउट दृष्टिकोण:

  थर्मल प्रबंधन के लिए आमतौर पर कई परियोजनाओं में अपनाया जाने वाला एक दृष्टिकोण है, मानक फ्लेम रिटार्डेंट लेवल 4 (FR-4) के साथ सबस्ट्रेट्स का उपयोग करना, एक सस्ती और आसानी से काम करने वाली सामग्री, सर्किट लेआउट के थर्मल अनुकूलन पर ध्यान केंद्रित करना।

मुख्य अपनाए गए उपायों में अतिरिक्त तांबे की सतहों के प्रावधान, अधिक मोटाई वाले निशानों का उपयोग, और गर्मी की सबसे बड़ी मात्रा उत्पन्न करने वाले घटकों के नीचे थर्मल का सम्मिलन शामिल है। एक अधिक आक्रामक तकनीक, जो अधिक मात्रा में गर्मी को नष्ट करने में सक्षम है, में पीसीबी में सम्मिलित करना या बाहरी परतों पर वास्तविक तांबे के ब्लॉकों को लागू करना शामिल है, आमतौर पर एक सिक्के के आकार में (इसलिए नाम "तांबे के सिक्के")। तांबे के सिक्कों को अलग से संसाधित किया जाता है और फिर टांका लगाया जाता है या सीधे पीसीबी से जोड़ा जाता है, या उन्हें आंतरिक परतों में डाला जा सकता है और बाहरी परतों से थर्मल वायस के माध्यम से जोड़ा जा सकता है। चित्रा 1 एक पीसीबी दिखाता है जिसमें एक तांबे का सिक्का रखने के लिए एक विशेष गुहा बनाया गया है।

  तांबे का तापीय चालकता गुणांक 380 W/mK होता है, जबकि एल्यूमीनियम के लिए यह 225 W/mK और FR-4 के लिए 0.3 W/mK होता है। कॉपर एक अपेक्षाकृत सस्ती धातु है और पहले से ही पीसीबी निर्माण में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है; इसलिए, यह तांबे के सिक्के, थर्मल वायस और ग्राउंड प्लेन बनाने के लिए आदर्श विकल्प है, जो गर्मी अपव्यय में सुधार करने में सक्षम सभी समाधान हैं।

   हॉट स्पॉट के गठन को रोकने के लिए बोर्ड पर सक्रिय घटकों की उचित स्थिति एक महत्वपूर्ण कारक है, इस प्रकार यह सुनिश्चित करना कि पूरे बोर्ड में यथासंभव समान रूप से गर्मी वितरित की जाती है। इस संबंध में, एक विशिष्ट क्षेत्र में हॉट स्पॉट के गठन से बचने के लिए सक्रिय घटकों को पीसीबी के आसपास किसी विशेष क्रम में वितरित नहीं किया जाना चाहिए। हालांकि, बोर्ड के किनारों के पास महत्वपूर्ण मात्रा में गर्मी उत्पन्न करने वाले सक्रिय घटकों को रखने से बचना बेहतर है। इसके विपरीत, उन्हें एक समान गर्मी वितरण के पक्ष में बोर्ड के केंद्र के जितना संभव हो उतना करीब रखा जाना चाहिए। यदि बोर्ड के किनारे के पास एक उच्च-शक्ति उपकरण लगाया जाता है, तो यह स्थानीय तापमान को बढ़ाते हुए, किनारे पर गर्मी पैदा करेगा। यदि, दूसरी ओर, इसे बोर्ड के केंद्र के पास रखा जाता है, तो गर्मी सतह पर सभी दिशाओं में फैल जाएगी, जिससे तापमान कम हो जाएगा और गर्मी अधिक आसानी से नष्ट हो जाएगी। बिजली उपकरणों को संवेदनशील घटकों के पास नहीं रखा जाना चाहिए और उन्हें एक दूसरे से उचित दूरी पर होना चाहिए।

पीसीबी सब्सट्रेट चयन:

इसकी कम तापीय चालकता के कारण — {{0}}.2 और 0.5 W/mK के बीच — FR-4 आम तौर पर उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं होता है जिनमें बड़ी मात्रा में गर्मी को नष्ट करने की आवश्यकता होती है। उच्च-शक्ति वाले सर्किट में जो गर्मी पैदा हो सकती है, वह इस तथ्य से जटिल है कि ये सिस्टम अक्सर कठोर वातावरण और अत्यधिक तापमान में काम करते हैं। पारंपरिक FR-4 की तुलना में उच्च तापीय चालकता वाली वैकल्पिक सब्सट्रेट सामग्री का उपयोग करना बेहतर विकल्प हो सकता है।

    उदाहरण के लिए, सिरेमिक सामग्री उच्च-शक्ति पीसीबी के थर्मल प्रबंधन के लिए महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है। बेहतर तापीय चालकता के अलावा, ये सामग्रियां उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों की पेशकश करती हैं जो बार-बार थर्मल साइकलिंग के दौरान जमा हुए तनाव की भरपाई करने में मदद करती हैं। इसके अतिरिक्त, सिरेमिक सामग्री में 10 गीगाहर्ट्ज तक आवृत्तियों पर कम ढांकता हुआ नुकसान होता है। उच्च आवृत्तियों के लिए, हाइब्रिड सामग्री (जैसे पीटीएफई) का चयन करना हमेशा संभव होता है, जो तापीय चालकता में मामूली कमी के साथ समान रूप से कम नुकसान की पेशकश करते हैं।

किसी सामग्री की तापीय चालकता जितनी अधिक होती है, उतनी ही तेज़ी से ऊष्मा हस्तांतरण होता है। यह इस प्रकार है कि एल्यूमीनियम जैसी धातुएं, सिरेमिक से हल्की होने के अलावा, घटकों से दूर गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए एक उत्कृष्ट समाधान प्रदान करती हैं। एल्यूमीनियम विशेष रूप से एक उत्कृष्ट कंडक्टर है, उत्कृष्ट स्थायित्व है, पुन: प्रयोज्य है, और गैर विषैले है। उनकी उच्च तापीय चालकता के लिए धन्यवाद, धातु की परतें पूरे बोर्ड में गर्मी को जल्दी से स्थानांतरित करने में मदद करती हैं। कुछ निर्माता मेटल-क्लैड पीसीबी भी पेश करते हैं, जिसमें दोनों बाहरी परतें मेटल-क्लैड होती हैं, आमतौर पर एल्यूमीनियम या गैल्वेनाइज्ड कॉपर। मूल्य-प्रति-इकाई-वजन के दृष्टिकोण से, एल्यूमीनियम सबसे अच्छा विकल्प है, जबकि तांबा उच्च तापीय चालकता प्रदान करता है। उच्च-शक्ति एल ई डी का समर्थन करने वाले पीसीबी के निर्माण के लिए एल्यूमीनियम का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है (एक उदाहरण चित्र 2 में दिखाया गया है), जिसमें यह सब्सट्रेट से दूर प्रकाश को प्रतिबिंबित करने की क्षमता के लिए भी विशेष रूप से उपयोगी है।

   मेटल पीसीबी, जिसे इंसुलेटिंग मेटल सबस्ट्रेट्स (IMS) के रूप में भी जाना जाता है, को सीधे PCB में लेमिनेट किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप FR-4 सबस्ट्रेट्स वाला बोर्ड और गहराई नियंत्रण रूटिंग के साथ सिंगल-लेयर और डबल-लेयर तकनीक वाला मेटल कोर होता है, जो गर्मी को ऑन-बोर्ड घटकों से दूर और कम महत्वपूर्ण क्षेत्रों में स्थानांतरित करने का कार्य करता है। आईएमएस पीसीबी में, तापीय रूप से प्रवाहकीय लेकिन विद्युत रूप से इन्सुलेट करने वाले ढांकता हुआ की एक पतली परत धातु के आधार और तांबे की पन्नी के बीच टुकड़े टुकड़े की जाती है। तांबे की पन्नी को वांछित सर्किट पैटर्न में उकेरा जाता है और धातु का आधार इस सर्किट से पतली ढांकता हुआ के माध्यम से गर्मी को अवशोषित करता है।

IMS PCB द्वारा दिए जाने वाले मुख्य लाभ निम्नलिखित हैं:

1. मानक FR-4 सह की तुलना में ऊष्मा अपव्यय काफी अधिक हैनिर्देश।

2. डाइलेक्ट्रिक्स आमतौर पर सामान्य एपॉक्सी ग्लास की तुलना में 5 × से 10 × अधिक तापीय प्रवाहकीय होते हैं।

3. पारंपरिक पीसीबी की तुलना में थर्मल ट्रांसफर तेजी से अधिक कुशल है।

4. एलईडी तकनीक (प्रबुद्ध संकेत, डिस्प्ले और लाइटिंग) के अलावा, आईएमएस सर्किट बोर्ड का व्यापक रूप से ऑटोमोटिव उद्योग (हेडलाइट्स, इंजन कंट्रोल और पावर स्टीयरिंग) में, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स (डीसी पावर सप्लाई, इनवर्टर और इंजन कंट्रोल) में उपयोग किया जाता है। , स्विच में और सेमीकंडक्टर रिले में।