Pendekatan untuk Manajemen Termal PCB Berdaya Tinggi
Desainer menghadapi masalah kompleks DALAM memenuhi kebutuhan daya, yang meliputi manajemen termal yang efektif, dimulai dengan desain PCB.
Seluruh sektor elektronika daya, termasuk aplikasi dan sistem RF yang melibatkan sinyal berkecepatan tinggi, berkembang menuju solusi yang menawarkan fungsionalitas yang semakin kompleks di ruang yang semakin kecil. Desainer menghadapi tantangan yang semakin menuntut untuk memenuhi persyaratan ukuran, berat, dan daya sistem, yang mencakup manajemen termal yang efektif, dimulai dengan desain papan sirkuit tercetak.
Perangkat daya aktif dengan kepadatan integrasi tinggi, seperti transistor MOSFET, dapat menghilangkan panas dalam jumlah yang signifikan dan oleh karena itu memerlukan PCB yang dapat mentransfer panas dari komponen terpanas ke bidang tanah atau permukaan yang menghilangkan panas, beroperasi seefisien dan seefektif mungkin. Stres termal adalah salah satu penyebab utama tidak berfungsinya perangkat daya, karena hal itu menyebabkan penurunan kinerja atau bahkan kemungkinan kerusakan atau kegagalan sistem. Pertumbuhan cepat kepadatan daya perangkat dan peningkatan frekuensi yang konstan adalah alasan utama yang menyebabkan komponen elektronik menjadi terlalu panas. Penggunaan semikonduktor yang semakin meluas dengan kehilangan daya yang berkurang dan konduktivitas termal yang lebih baik, seperti bahan dengan celah pita lebar, tidak dengan sendirinya cukup untuk menghilangkan kebutuhan akan manajemen termal yang efektif.
Perangkat daya berbasis silikon saat ini mencapai suhu persimpangan antara sekitar 125˚C dan 200˚C. Namun, selalu lebih baik untuk membuat perangkat beroperasi di bawah batas ini, karena hal ini akan menyebabkan degradasi cepat yang sama dan pengurangan sisa masa pakainya. Faktanya, diperkirakan bahwa peningkatan 20˚C pada suhu pengoperasian, yang disebabkan oleh manajemen termal yang tidak tepat, dapat mengurangi sisa umur komponen hingga 50 persen .
Pendekatan tata letak:
Pendekatan manajemen termal yang biasanya diikuti di banyak proyek adalah menggunakan media dengan Flame Retardant Level 4 (FR-4) standar, bahan yang murah dan mudah diterapkan, berfokus pada optimalisasi termal tata letak sirkuit.
Langkah-langkah utama yang diadopsi menyangkut penyediaan permukaan tembaga tambahan, penggunaan jejak dengan ketebalan yang lebih besar, dan penyisipan termal melalui komponen yang menghasilkan jumlah panas terbesar. Teknik yang lebih agresif, yang mampu menghilangkan panas dalam jumlah yang lebih besar, melibatkan memasukkan ke dalam PCB atau menerapkan blok tembaga nyata pada lapisan terluar, biasanya dalam bentuk koin (karena itu disebut "koin tembaga"). Koin tembaga diproses secara terpisah dan kemudian disolder atau dipasang langsung ke PCB, atau dapat dimasukkan ke lapisan dalam dan dihubungkan ke lapisan luar melalui vias termal. Gambar 1 menunjukkan PCB di mana rongga khusus dibuat untuk menampung koin tembaga.
Tembaga memiliki koefisien konduktivitas termal sebesar 380 W/mK, dibandingkan dengan 225 W/mK untuk aluminium dan 0,3 W/mK untuk FR-4. Tembaga adalah logam yang relatif murah dan sudah banyak digunakan dalam pembuatan PCB; oleh karena itu, ini adalah pilihan ideal untuk membuat koin tembaga, vias termal, dan bidang tanah, semua solusi yang mampu meningkatkan pembuangan panas.
Penempatan yang tepat dari komponen aktif pada papan merupakan faktor penting dalam mencegah pembentukan hot spot, sehingga memastikan bahwa panas didistribusikan secara merata di seluruh papan. Dalam hal ini, komponen aktif harus didistribusikan tanpa urutan tertentu di sekitar PCB untuk menghindari pembentukan hot spot di area tertentu. Namun, sebaiknya hindari menempatkan komponen aktif yang menghasilkan banyak panas di dekat tepi papan. Sebaliknya, mereka harus diposisikan sedekat mungkin dengan bagian tengah papan, mendukung distribusi panas yang merata. Jika perangkat berdaya tinggi dipasang di dekat tepi papan, panas akan menumpuk di tepi, sehingga meningkatkan suhu setempat. Sebaliknya, jika ditempatkan di dekat bagian tengah papan, panas akan menyebar ke permukaan ke segala arah, mengurangi suhu dan menghilangkan panas dengan lebih mudah. Perangkat daya tidak boleh ditempatkan dekat dengan komponen sensitif dan harus ditempatkan dengan benar satu sama lain.
Pemilihan substrat PCB:
Karena konduktivitas termalnya yang rendah — antara {{0}}.2 dan 0,5 W/mK — FR-4 umumnya tidak cocok untuk aplikasi yang membutuhkan panas dalam jumlah besar. Panas yang dapat terbentuk di sirkuit berdaya tinggi cukup besar, ditambah fakta bahwa sistem ini sering beroperasi di lingkungan yang keras dan suhu ekstrem. Menggunakan bahan substrat alternatif dengan konduktivitas termal yang lebih tinggi mungkin merupakan pilihan yang lebih baik daripada menggunakan FR-4 tradisional.
Bahan keramik, misalnya, menawarkan keuntungan yang signifikan untuk manajemen termal PCB berdaya tinggi. Selain peningkatan konduktivitas termal, bahan ini menawarkan sifat mekanik yang sangat baik yang membantu mengkompensasi akumulasi tekanan selama siklus termal berulang. Selain itu, bahan keramik memiliki kerugian dielektrik yang lebih rendah yang beroperasi pada frekuensi hingga 10 GHz. Untuk frekuensi yang lebih tinggi, selalu memungkinkan untuk memilih bahan hibrid (seperti PTFE), yang menawarkan kerugian yang sama rendahnya dengan sedikit pengurangan konduktivitas termal.
Semakin tinggi konduktivitas termal suatu bahan, semakin cepat perpindahan panasnya. Oleh karena itu logam seperti aluminium, selain lebih ringan dari keramik, menawarkan solusi yang sangat baik untuk memindahkan panas dari komponen. Aluminium khususnya merupakan konduktor yang sangat baik, memiliki daya tahan yang sangat baik, dapat didaur ulang, dan tidak beracun. Berkat konduktivitas termalnya yang tinggi, lapisan logam membantu mentransfer panas dengan cepat ke seluruh papan. Beberapa produsen juga menawarkan PCB berlapis logam, di mana kedua lapisan luarnya berlapis logam, biasanya aluminium atau tembaga galvanis. Dari sudut pandang biaya per unit berat, aluminium adalah pilihan terbaik, sedangkan tembaga menawarkan konduktivitas termal yang lebih tinggi. Aluminium banyak digunakan untuk konstruksi PCB yang mendukung LED daya tinggi (contohnya ditunjukkan pada Gambar 2), di mana aluminium juga sangat berguna karena kemampuannya memantulkan cahaya dari substrat.
PCB logam, juga dikenal sebagai substrat logam isolasi (IMS), dapat dilaminasi langsung ke PCB, menghasilkan papan dengan substrat FR-4 dan inti logam dengan teknologi lapisan tunggal dan lapisan ganda dengan perutean kontrol kedalaman, yang berfungsi untuk memindahkan panas dari komponen on-board dan ke area yang kurang kritis. Dalam PCB IMS, lapisan tipis dielektrik yang konduktif secara termal tetapi bersifat isolasi elektrik dilaminasi antara dasar logam dan foil tembaga. Foil tembaga tergores ke dalam pola sirkuit yang diinginkan dan dasar logam menyerap panas dari sirkuit ini melalui dielektrik tipis.
Keuntungan utama yang ditawarkan oleh PCB IMS adalah sebagai berikut:
1. Pembuangan panas secara signifikan lebih tinggi daripada FR-4 co standarinstruksi.
2. Dielektrik biasanya 5× hingga 10× lebih konduktif secara termal daripada kaca epoksi normal.
3. Transfer termal secara eksponensial lebih efisien daripada di PCB konvensional.
4. Selain teknologi LED (tanda penerangan, tampilan, dan penerangan), papan sirkuit IMS banyak digunakan dalam industri otomotif (lampu depan, kontrol mesin, dan power steering), dalam elektronika daya (catu daya DC, inverter, dan kontrol mesin) , di sakelar, dan di relai semikonduktor.
