ハイパワー PCB の熱管理

設計者は、PCB 設計をはじめとする効果的な熱管理など、電源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部門全体が、ますます複雑な機能を提供するソリューションに向けて進化しています。 -小さなスペース。 設計者は、プリント基板の設計から始まる効果的な熱管理を含む、システムのサイズ、重量、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、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し、可能な限り効率的かつ効果的に動作できる 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、さらにはシステムの誤動作や故障の可能性にもつながります。 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。 ワイドバンドギャップ材料など、電力損失が低減され熱伝導率が向上した半導体の使用がますます普及していますが、それ自体では効果的な熱管理の必要性を排除する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 ℃の接合温度を達成します。 ただし、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、デバイスをこの制限以下で動作させることが常に好ましいです。 実際、不適切な熱管理によって動作温度が 20 ℃上昇すると、コンポーネントの残存寿命が最大 50% 短縮される可能性があると推定されています。

レイアウトのアプローチ:

多くのプロジェクトで一般的に採用されている熱管理のアプローチは、回路レイアウトの熱最適化に重点を置き、安価で加工が容易な材料である標準難燃性レベル 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。 より大量の熱を放散できる、より積極的な手法には、通常コインの形をした本物の銅ブロック (そのため「銅コイン」という名前) を PCB に挿入するか、最外層に適用することが含まれます。 銅コインは個別に処理され、はんだ付けされるか、PCB に直接取り付けられます。あるいは、銅コインを内層に挿入し、サーマル ビアを介して外層に接続することもできます。 図 1 は、銅貨を収容するために特別なキャビティが作られた PCB を示しています。

銅の熱伝導率は 380 W/mK ですが、アルミニウムの熱伝導率は 225 W/mK、FR-4 の熱伝導率は 0.3 W/mK です。 銅は比較的安価な金属であり、すでに PCB 製造に広く使用されています。 したがって、銅コイン、サーマルビア、グランドプレーンなど、熱放散を改善できるすべてのソリューションを作成するのに理想的な選択肢です。

基板上のアクティブ 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ぎ、基板全体に熱ができるだけ均等に分散されるようにするための重要な要素です。 この点において、特定の領域にホットスポットが形成されるのを避けるために、活性成分は PCB の周囲に特定の順序で配置され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 コンポーネントを基板の端近くに配置することは避けた方がよいでしょう。 逆に、均一な熱分布を得るには、ボードの中央にできるだけ近くに配置する必要があります。 高出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、端に熱が蓄積し、局所的な温度が上昇します。 逆に基板の中央付近に配置すると、熱が表面の全方向に放散され、温度が下がり放熱しやすくなります。 パワーデバイスは敏感なコンポーネントの近くに配置せず、相互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 の間の低い熱伝導率のため、FR-4 は一般に、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。 高出力回路内で蓄積する可能性のある熱はかなりのものであり、これらのシステムが過酷な環境や極端な温度で動作することが多いという事実によってさらに悪化します。 従来の FR-4 を使用するよりも、熱伝導率の高い代替基板材料を使用する方が良い選択となる可能性があります。

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もたらします。 これらの材料は、熱伝導率の向上に加えて、繰り返しの熱サイクル中に蓄積される応力を補償するのに役立つ優れた機械的特性を提供します。 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は、熱伝導率を適度に低下させながらも同様に低い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。 したがって、アルミニウムなどの金属は、セラミックよりも軽いことに加えて、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、基板全体に熱を素早く伝達します。 一部のメーカーは金属被覆 PCB も提供しています。この PCB では、両方の外層が金属被覆されており、通常はアルミニウムまたは亜鉛メッキ銅です。 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すが、銅の方が熱伝導率が高くなります。 アルミニウムは、高出力 LED をサポートする PCB の構築に広く使用されており (図 2 に例を示します)、基板から光を反射する機能も特に役立ちます。

絶縁金属基板 (IMS) とも呼ばれる金属 PCB は、PCB に直接積層することができ、その結果、FR-4 基板と、深さ制御配線を備えた単層および二層テクノロジーを備えたメタルコアを備えた基板が得られます。これは、オンボードコンポーネントから熱を逃がし、それほど重要ではない領域に熱を伝達するのに役立ちます。 IMS PCB では、熱伝導性だが電気絶縁性の誘電体の薄層が金属ベースと銅箔の間に積層されます。 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の熱を吸収します。

IMS PCB によってもたらされる主な利点は次のとおりです。

1. 熱放散は標準の FR-4 構造よりも大幅に優れています。

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 倍の熱伝導性があります。

3. 熱伝達は従来の PCB よりも飛躍的に効率的です。

4. IMS 回路基板は、LED 技術 (照光式標識、ディスプレイ、照明) のほかに、自動車産業 (ヘッドライト、エンジン制御、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、エンジン制御) で広く使用されています。 、スイッチ、半導体リレーなどに使用されます。