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業界全体は、ますます複雑化する機能をますます小さなスペースで提供するソリューションに移行しています。設計者は、PCBの設計から始まる効果的な熱管理など、システムサイズ、重量、電力の要件を満たす上で、ますます厳しい課題に直面しています。
高集積のアクティブパワーデバイス(MOSFETトランジスタなど)は大量の熱を放出するため、最も高温の部品からグランドまたはヒートシンク表面に熱を伝達できるPCBが可能な限り効率的に動作する必要があります。熱ストレスは、パフォーマンスの低下を引き起こす可能性があり、システム障害や誤動作につながる可能性があるため、電源装置の故障の主な原因の1つです。デバイスの電力密度の急速な成長と周波数の増加は、電子部品の過熱の主な原因です。広帯域材料など、電力損失が低く熱伝導率の高い半導体がますます広く使用されている一方で、それだけでは効果的な熱管理の必要性を排除するには不十分です。
現在のシリコンベースのパワーデバイスは、約125°C~200°Cのジャンクション温度で実現できます。 しかし、この制限条件を超えずにデバイスを常に動作させ、デバイスの急速な老化を回避し、その残りの寿命を短くすることが望ましい。実際、不適切な熱管理によって動作温度が20°C上昇すると、コンポーネントの残余寿命が最大50%低下すると推定されています。
レイアウト配線(レイアウト)方法論
多くのプロジェクトで使用されている一般的な熱管理方法は、回路レイアウトの熱最適化に焦点を当てた安価で加工が容易な材料である標準難燃剤クラス4(FR-4)基板の使用です。
使用される主な対策には、追加の銅表面を提供すること、より厚いアライメントを使用すること、および最も熱を発生するコンポーネントの下にヒートシンクを挿入することが含まれます。より多くの熱を放散するためのより根本的な技術は、PCBまたは最外層に実際の銅ブロックを挿入または適用することを含み、これは通常コインの形をしているので、「銅コイン」という名前である。銅コインを別々に処理した後、はんだ付けするか、PCBに直接取り付けるか、内層に挿入してヒートシンクを介して外層に接続することができます。図1に示すPCBは、銅貨を収容するための特別なキャビティで作られています。
銅の熱伝導率は380 W/mKで、アルミニウムは225 W/mK、FR-4は0.3 W/mKです。銅は、PCB製造で広く使用されている比較的安価な金属です。したがって、銅貨、ヒートシンク穴、グランド層など、放熱を改善するすべてのソリューションを製造するのに理想的です。
アクティブデバイスをボード上に正しく配置することは、ホットスポットの形成を防ぎ、熱がボード全体にできるだけ均等に分配されるようにする重要な要素です。この点で、アクティブデバイスは特定の順序でPCBの周りに分散させ、特定の領域でのホットスポットの形成を避ける必要があります。ただし、多くの熱を発生するアクティブなデバイスをボードの端の近くに配置することは避けることをお勧めします。代わりに、ボードの中央にできるだけ近づけて配置し、均一な熱分布を促進する必要があります。高出力デバイスをボードの端の近くに設置すると、端に熱が蓄積され、局所的な温度が上昇します。一方、基板の中央付近に配置すると、表面に沿って全方向に熱が分散されるため、温度を下げやすくなり、熱を分散しやすくなります。電源装置は、機密性の高いコンポーネントの近くに配置せず、互いに適切な間隔を空けて配置する必要があります。
レイアウトレベルで取られた対策は、アクティブ冷却およびパッシブ冷却システム(ヒートシンクやファンなど)を使用することによってさらに改善することができます - そのようなシステムは、ボードに直接放出するのではなく、アクティブデバイスから熱を除去することができます。一般に、設計者は、特定のアプリケーションの要件と利用可能な予算に応じて、異なる熱管理戦略の間で適切な妥協点を見つける必要があります。
PCB基板の選択
FR-4は、通常、熱伝導率が低い(0.2~0.5W/mK)ため、大量の熱を放散する必要があるアプリケーションには適していません。高出力回路で発生する熱はかなりのものになる可能性があり、これらのシステムはしばしば過酷な環境や極端な温度で動作します。より高い熱伝導率を有する代替基板材料を使用することは、従来のFR-4を使用するよりも良い選択であり得る。
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。このような材料は、熱伝導率の向上に加えて、優れた機械的特性も有し、したがって、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つ。さらに、セラミック材料は、最大10GHzの周波数で誘電損失が低い。より高い周波数の場合、同じ低損失を提供するが熱伝導率が適度に低下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、セラミックよりも軽量であることに加えて、アルミニウムなどの金属は、部品から熱を伝達する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、優れた導体でもあり、耐久性に優れ、リサイクル可能であり、無毒である。その高い熱伝導率のために、金属層はボード全体に素早く熱を伝達するのを助けます。一部のメーカーは、両方の外層が金属クラッド(通常はアルミニウムまたは亜鉛メッキ銅)である金属クラッドPCBも提供しています。アルミニウムは重量あたりのコストの観点から最良の選択であり、銅はより高い熱伝導率を有する。アルミニウムは、高出力LEDをサポートするPCBの製造にも広く使用されており(図2の例に示すように)、基板から光を反射する能力も特に有用です。
銀でさえ、銅よりも熱伝導率が約5%高いため、アライメント、ビア、パッド、金属層の作成にも使用できます。さらに、有毒ガスが存在する湿気の多い環境でボードを使用する場合、裸の銅アライメントと銅はんだパッドに銀仕上げを使用すると、そのような環境で知られている典型的な脅威である腐食を防ぐのに役立ちます。
絶縁金属基板(IMS)としても知られる金属PCBは、FR-4基板と金属コアを備えた基板を形成するためにPCBに直接積層することができます。単層および二層技術が使用され、深さ制御された配線により、オンボードコンポーネントから重要度の低い領域に熱を伝達できます。IMS PCBでは、金属基板と銅箔の間に熱伝導性だが電気絶縁性の誘電体の薄層が積層されている。銅箔は所望の回路パターンにエッチングされ、金属基板はこの薄い誘電体を介して回路からの熱を吸収する。
IMS PCB によって提供される主な利点は次のとおりです。
-標準的なFR-4構造よりも大幅に高い放熱性。
-誘電体の熱伝導率は、通常、通常のエポキシガラスの5〜10倍高い。
-熱伝達の効率は従来のPCBよりもはるかに高い。
IMS PCBは、LED技術(照明付き看板、ディスプレイ、照明)に加えて、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、エンジン制御)、スイッチ、半導体リレーで広く使用されています。