ハイパワー PCB の熱管理へのアプローチ

   設計者は、PCB 設計から始めて、効果的な熱管理を含む電力要件を満たすために複雑な問題に直面しています。

     高速信号を含む RF アプリケーションやシステムを含むパワー エレクトロニクス セクター全体が、より小さなスペースでますます複雑な機能を提供するソリューションに向かって進化しています。 設計者は、プリント回路基板の設計から始めて、効果的な熱管理を含む、システムのサイズ、重量、および電力要件を満たすためにますます厳しい課題に直面しています。

  MOSFET トランジスタなどの高集積密度のアクティブ パワー デバイスは、大量の熱を放散する可能性があるため、可能な限り効率的かつ効果的に動作し、最も高温のコンポーネントからグランド プレーンまたは熱放散面に熱を伝達できる PCB が必要です。 熱ストレスは、パワーデバイスの誤動作の主な原因の 1 つであり、パフォーマンスの低下や、システムの誤動作や故障につながる可能性さえあります。 デバイスの電力密度の急速な増加と周波数の絶え間ない増加が、電子部品の過度の加熱を引き起こす主な理由です。 電力損失が減少し、ワイドバンドギャップ材料などの熱伝導率が向上した半導体の使用がますます広まっていますが、それだけでは効果的な熱管理の必要性をなくすには十分ではありません。

    現在のシリコン ベースのパワー デバイスは、約 125 ℃ ～ 200 ℃ のジャンクション温度を達成します。 ただし、デバイスをこの制限未満で動作させることが常に望ましいです。これは、デバイスの急速な劣化とその残存寿命の短縮につながるためです。 実際、不適切な熱管理が原因で動作温度が 20℃上昇すると、コンポーネントの残りの寿命が最大 50% 短くなる可能性があると推定されています。

レイアウト アプローチ:

  多くのプロジェクトで一般的に行われている熱管理へのアプローチは、回路レイアウトの熱最適化に焦点を当てた、安価で加工しやすい材料である標準の難燃性レベル 4 (FR-4) の基板を使用することです。

採用された主な対策は、追加の銅表面の提供、より厚いトレースの使用、および最大量の熱を発生するコンポーネントの下へのサーマル ビアの挿入に関するものです。 より多くの熱を放散できるより積極的な手法には、PCB に挿入するか、最外層に通常はコインの形をした本物の銅ブロックを適用することが含まれます (したがって、「銅コイン」という名前が付けられています)。 銅コインは個別に処理され、PCB に直接はんだ付けまたは取り付けられるか、または内層に挿入され、サーマル ビアを介して外層に接続されます。 図 1 は、銅貨を収容するために特別なキャビティが作成された PCB を示しています。

  銅の熱伝導係数は 380 W/mK ですが、アルミニウムの 225 W/mK と FR-4 の 0.3 W/mK とは対照的です。 銅は比較的安価な金属であり、PCB 製造ですでに広く使用されています。 したがって、熱放散を改善できるすべてのソリューションである、銅コイン、サーマル ビア、およびグランド プレーンを作成するための理想的な選択肢です。

   ボード上のアクティブ コンポーネントを適切に配置することは、ホット スポットの形成を防ぐための重要な要素です。これにより、熱がボード全体にできるだけ均等に分散されます。 この点で、特定の領域でのホット スポットの形成を避けるために、アクティブ コンポーネントを PCB の周りに特定の順序で配置する必要はありません。 ただし、大量の熱を発生するアクティブ コンポーネントをボードの端近くに配置することは避けたほうがよいでしょう。 逆に、均一な熱分布を優先して、ボードのできるだけ中央に近づけて配置する必要があります。 高電力デバイスがボードの端近くに取り付けられている場合、端で熱が蓄積され、局所温度が上昇します。 一方、ボードの中央近くに配置すると、熱は表面であらゆる方向に放散され、温度が下がり、熱を放散しやすくなります。 パワー デバイスは、影響を受けやすいコンポーネントの近くに配置するべきではなく、互いに適切な間隔をあけて配置する必要があります。

PCB基板の選択:

{{0}}.2 ～ 0.5 W/mK と熱伝導率が低いため、FR-4 は通常、大量の熱を放散する必要がある用途には適していません。 これらのシステムは過酷な環境や極端な温度で動作することが多いため、高電力回路に蓄積される熱はかなりのものです。 従来の FR-4 を使用するよりも、熱伝導率の高い代替の基板材料を使用する方が良い選択かもしれません。

    たとえば、セラミック材料は、高出力 PCB の熱管理に大きな利点を提供します。 熱伝導率の向上に加えて、これらの材料は優れた機械的特性を提供し、繰り返しの熱サイクル中に蓄積された応力を補償するのに役立ちます。 さらに、セラミック材料は、最大 10 GHz の周波数で動作する誘電損失が低くなります。 より高い周波数の場合、熱伝導率の適度な低下と同等の低損失を提供するハイブリッド材料 (PTFE など) を選択することが常に可能です。

材料の熱伝導率が高いほど、熱伝達が速くなります。 アルミニウムなどの金属は、セラミックよりも軽いだけでなく、コンポーネントから熱を逃がすための優れたソリューションを提供します。 特にアルミニウムは優れた導体であり、耐久性に優れ、リサイクル可能で、無毒です。 金属層は熱伝導率が高いため、ボード全体に熱をすばやく伝達します。 一部のメーカーは、両方の外層が金属で覆われた、通常はアルミニウムまたは亜鉛メッキされた銅である、金属で覆われた PCB も提供しています。 単位重量あたりのコストの観点からは、アルミニウムが最良の選択であり、銅はより高い熱伝導率を提供します。 アルミニウムは、高出力 LED (図 2 に例を示します) をサポートする PCB の構築に広く使用されており、基板から光を反射する能力が特に有用です。

   絶縁金属基板 (IMS) としても知られる金属 PCB は、PCB に直接積層することができ、その結果、FR-4 基板と、深さ制御ルーティングを備えた単層および 2 層技術を備えた金属コアを備えたボードになります。これは、搭載されたコンポーネントから熱を逃がし、重要度の低い領域に伝達するのに役立ちます。 IMS PCB では、熱伝導性であるが電気絶縁性の誘電体の薄い層が、金属ベースと銅箔の間に積層されています。 銅箔は所望の回路パターンにエッチングされ、金属ベースは薄い誘電体を通してこの回路から熱を吸収します。

IMS PCB が提供する主な利点は次のとおりです。

1. 熱放散は、標準の FR-4 co よりも大幅に高くなります。指示。

2. 誘電体は通常、通常のエポキシ ガラスよりも 5 倍から 10 倍熱伝導性が高くなります。

3. 熱伝達は、従来の PCB よりも指数関数的に効率的です。

4. LED 技術 (イルミネーション サイン、ディスプレイ、および照明) に加えて、IMS 回路基板は、自動車産業 (ヘッドライト、エンジン制御、およびパワー ステアリング)、パワー エレクトロニクス (DC 電源、インバーター、およびエンジン制御) で広く使用されています。 、スイッチ、半導体リレー。