تتجه صناعة إلكترونيات الطاقة بأكملها ، بما في ذلك تطبيقات وأنظمة الترددات اللاسلكية التي تتضمن إشارات عالية السرعة ، نحو الحلول التي توفر وظائف معقدة بشكل متزايد في المساحات الأصغر باستمرار. يواجه المصممون تحديات متزايدة المتطلبات في تلبية متطلبات حجم النظام ووزنه وقوته ، بما في ذلك الإدارة الحرارية الفعالة ، والتي تبدأ بدورها بتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
تنبعث أجهزة الطاقة النشطة عالية التكامل (على سبيل المثال ، ترانزستورات MOSFET) كميات كبيرة من الحرارة ، مما يتطلب مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي يمكنها نقل الحرارة من المكونات الأكثر سخونة إلى الأرض أو سطح المشتت الحراري للعمل بكفاءة قدر الإمكان. يعد الإجهاد الحراري أحد الأسباب الرئيسية لفشل جهاز الطاقة ، حيث يمكن أن يتسبب في تدهور الأداء وقد يؤدي إلى فشل النظام أو تعطله. يعد النمو السريع لكثافة طاقة الجهاز وزيادة التردد من الأسباب الرئيسية لارتفاع درجة حرارة المكونات الإلكترونية. بينما يتم استخدام أشباه الموصلات ذات فقدان الطاقة المنخفض والموصلية الحرارية الأفضل ، مثل المواد ذات النطاق العريض ، على نطاق واسع ، فهي ليست كافية في حد ذاتها لإزالة الحاجة إلى إدارة حرارية فعالة.
يمكن تحقيق أجهزة الطاقة الحالية القائمة على السيليكون عند درجات حرارة تقاطع تتراوح بين حوالي 125 درجة و 200 درجة. ومع ذلك ، فمن المستحسن السماح دائمًا للجهاز بالعمل دون تجاوز هذا الشرط المحدد ، وبالتالي تجنب التقادم السريع للجهاز وتقصير العمر المتبقي. في الواقع ، تشير التقديرات إلى أنه إذا أدت الإدارة الحرارية غير السليمة إلى زيادة درجة حرارة التشغيل بمقدار 20 درجة ، فإن الانخفاض الناتج في العمر المتبقي للمكون سيكون بنسبة 50 بالمائة.
منهجية تخطيط الأسلاك (التخطيط)
طريقة الإدارة الحرارية الشائعة المستخدمة في العديد من المشاريع هي استخدام مادة مثبطة للهب قياسية من الفئة 4 (FR -4) ، وهي مادة غير مكلفة وسهلة المعالجة تركز على التحسين الحراري لتخطيط الدائرة.
تتضمن الإجراءات الرئيسية المستخدمة توفير أسطح نحاسية إضافية ، واستخدام محاذاة أكثر سمكًا ، وإدخال أحواض حرارية تحت المكونات التي تولد أكبر قدر من الحرارة. تتضمن التقنية الأكثر جذرية لتبديد المزيد من الحرارة إدخال أو تطبيق كتلة نحاسية حقيقية على ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو على الطبقة الخارجية ، والتي عادة ما تكون على شكل عملة معدنية ، ومن هنا جاء اسم "عملة نحاسية". بعد معالجة العملة النحاسية بشكل منفصل ، يمكن لحامها أو توصيلها مباشرة بـ PCB ، أو يمكن إدخالها في الطبقة الداخلية وتوصيلها بالطبقة الخارجية من خلال المشتت الحراري. يتكون ثنائي الفينيل متعدد الكلور الموضح في الشكل 1 في تجويف خاص لاستيعاب عملة نحاسية.
الموصلية الحرارية للنحاس 38 0 وات / مللي كلفن ، مقارنة بـ 225 وات / مللي كلفن للألمنيوم و 0.3 وات / مللي كلفن لـ FR -4. النحاس معدن غير مكلف نسبيًا وقد استخدم على نطاق واسع في تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور ؛ لذلك ، فهو مثالي لصنع العملات النحاسية ، وثقوب المشتت الحراري ، وطبقات الأرض - جميع الحلول التي تعمل على تحسين تبديد الحرارة.
يعد الوضع الصحيح للأجهزة النشطة على السبورة عاملاً رئيسيًا في منع تكون النقاط الساخنة ، وبالتالي ضمان توزيع الحرارة بشكل متساوٍ قدر الإمكان عبر اللوحة. في هذا الصدد ، يجب توزيع الأجهزة النشطة حول ثنائي الفينيل متعدد الكلور بدون ترتيب معين ، وبالتالي تجنب تكون النقاط الساخنة في مناطق محددة. ومع ذلك ، فمن الأفضل تجنب وضع الأجهزة النشطة التي تولد الكثير من الحرارة بالقرب من حافة اللوحة. بدلاً من ذلك ، يجب وضعها في أقرب مكان ممكن من مركز اللوحة ، وبالتالي تسهيل التوزيع المنتظم للحرارة. إذا تم تركيب أجهزة عالية الطاقة بالقرب من حافة اللوحة ، فسوف تتراكم الحرارة عند الحافة ، وبالتالي تزيد درجة الحرارة المحلية. من ناحية أخرى ، إذا تم وضعها بالقرب من مركز اللوح ، فسيتم توزيع الحرارة في جميع الاتجاهات على طول السطح ، مما يسهل تقليل درجة الحرارة وتسهيل توزيع الحرارة. يجب عدم وضع أجهزة الطاقة بالقرب من المكونات الحساسة ويجب أن تكون متباعدة بشكل صحيح عن بعضها البعض.
يمكن تحسين التدابير المتخذة على مستوى التخطيط بشكل أكبر باستخدام التبريد النشط وأنظمة التبريد السلبي (مثل المشتتات الحرارية أو المراوح) - يمكن لمثل هذه الأنظمة إزالة الحرارة من الأجهزة النشطة ، بدلاً من انبعاثها مباشرة في اللوحة. بشكل عام ، يجب على المصممين إيجاد الحل الوسط المناسب بين استراتيجيات الإدارة الحرارية المختلفة ، اعتمادًا على متطلبات التطبيق المعين والميزانية المتاحة.
اختيار الركيزة ثنائي الفينيل متعدد الكلور
لا يعد FR {0} مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تبديد كميات كبيرة من الحرارة بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة (بين 0. 2 و 0.5 واط / مللي كلفن). يمكن أن تكون الحرارة المتولدة في الدوائر عالية الطاقة كبيرة ، وغالبًا ما تعمل هذه الأنظمة في بيئات قاسية ودرجات حرارة قصوى. قد يكون استخدام مادة ركيزة بديلة ذات توصيل حراري أعلى خيارًا أفضل من استخدام FR التقليدي -4.
توفر مواد السيراميك ، على سبيل المثال ، مزايا كبيرة للإدارة الحرارية لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية الطاقة. تتمتع هذه المواد ، بالإضافة إلى تحسين التوصيل الحراري ، بخصائص ميكانيكية ممتازة وبالتالي تساعد في تعويض الضغوط المتراكمة أثناء التدوير الحراري المتكرر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المواد الخزفية لها خسارة عازلة منخفضة عند ترددات تصل إلى 10 جيجاهرتز. بالنسبة للترددات الأعلى ، من الممكن دائمًا اختيار المواد الهجينة (مثل PTFE) ، والتي توفر نفس الخسائر المنخفضة ولكن مع انخفاض معتدل في التوصيل الحراري.
كلما زادت الموصلية الحرارية للمادة ، زادت سرعة نقل الحرارة. وبالتالي ، بالإضافة إلى كونها أخف من السيراميك ، تقدم المعادن مثل الألومنيوم حلاً ممتازًا لنقل الحرارة بعيدًا عن المكونات. الألومنيوم على وجه الخصوص هو أيضًا موصل ممتاز ، ولديه متانة ممتازة ، وقابل لإعادة التدوير ، وغير سام. بفضل الموصلية الحرارية العالية ، تساعد الطبقة المعدنية في نقل الحرارة بسرعة في جميع أنحاء اللوح. تقدم بعض الشركات المصنعة أيضًا مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مغطاة بالمعدن حيث تكون كلتا الطبقتين الخارجيتين مغطاة بالمعادن ، وعادة ما تكون من الألومنيوم أو النحاس المجلفن. الألومنيوم هو الخيار الأفضل من منظور التكلفة لكل وزن ، بينما يتمتع النحاس بموصلية حرارية أعلى. يستخدم الألمنيوم أيضًا على نطاق واسع لصنع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي تدعم مصابيح LED عالية الطاقة (كما هو موضح في المثال في الشكل 2) ، حيث تكون قدرتها على عكس الضوء بعيدًا عن الركيزة مفيدة أيضًا بشكل خاص.
حتى الفضة ، نظرًا لتوصيلها الحراري بنسبة 5 في المائة أعلى من النحاس ، يمكن أيضًا استخدامها لإنشاء محاذاة ، وفتحات ، ووسادات ، وطبقات معدنية. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تم استخدام اللوح في بيئة رطبة حيث توجد غازات سامة ، فإن استخدام التشطيبات الفضية على محاذاة النحاس العارية ووسادات اللحام النحاسية سيساعد في منع التآكل - وهو تهديد نموذجي معروف في مثل هذه البيئات.
يمكن تصفيح مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المعدنية ، والتي تُعرف أيضًا باسم الركائز المعدنية المعزولة (IMS) ، مباشرةً في ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتشكيل ألواح مع ركائز FR {0}} وقلب معدني. يتم استخدام تقنيات الطبقة الفردية والمزدوجة ، مع أسلاك يتم التحكم فيها بعمق ، حيث يمكن نقل الحرارة من المكونات الموجودة على متن الطائرة إلى المناطق الأقل خطورة. في IMS PCBs ، يتم تصفيح طبقة رقيقة من عازل موصل حراريًا ولكن كهربائيًا بين ركيزة معدنية ورقائق نحاسية. يتم حفر الرقائق النحاسية في نمط الدائرة المطلوب وتمتص الركيزة المعدنية الحرارة من الدائرة عبر هذا العازل الرقيق.
المزايا الرئيسية التي تقدمها IMS PCBs هي كما يلي.
- تبديد حرارة أعلى بشكل ملحوظ من الهياكل القياسية -4.
- الموصلية الحرارية للعزل الكهربائي تكون عادةً أعلى من 5 إلى 10 مرات من تلك الخاصة بزجاج الايبوكسي العادي.
- كفاءة نقل الحرارة أعلى بكثير من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية.
بالإضافة إلى تقنية LED (اللافتات المضيئة ، شاشات العرض والإضاءة) ، تستخدم IMS PCBs على نطاق واسع في صناعة السيارات (المصابيح الأمامية ، أدوات التحكم في المحرك وتوجيه الطاقة) ، إلكترونيات الطاقة (إمدادات الطاقة DC ، العاكسات وأدوات التحكم في المحرك) ، المفاتيح ومرحلات أشباه الموصلات .