الإدارة الحرارية لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية الطاقة

يواجه المصممون مشكلات معقدة في تلبية متطلبات الطاقة، والتي تشمل الإدارة الحرارية الفعالة، بدءًا من تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتطور قطاع الطاقة الإلكترونية بالكامل، بما في ذلك تطبيقات الترددات اللاسلكية والأنظمة التي تتضمن إشارات عالية السرعة، نحو حلول توفر وظائف معقدة بشكل متزايد في أي وقت مضى. - مساحات أصغر. يواجه المصممون تحديات متزايدة الصعوبة لتلبية متطلبات حجم النظام والوزن والطاقة، والتي تشمل الإدارة الحرارية الفعالة، بدءًا من تصميم لوحة الدوائر المطبوعة.

يمكن لأجهزة الطاقة النشطة عالية الكثافة والتكامل، مثل ترانزستورات MOSFET، أن تبدد كمية كبيرة من الحرارة، وبالتالي تتطلب مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكنها نقل الحرارة من المكونات الأكثر سخونة إلى الأسطح الأرضية أو الأسطح التي تبدد الحرارة، وتعمل بكفاءة وفعالية قدر الإمكان. يعد الإجهاد الحراري أحد الأسباب الرئيسية لخلل أجهزة الطاقة، حيث يؤدي إلى تراجع الأداء أو حتى احتمال حدوث خلل أو فشل في النظام. يعد النمو السريع لكثافة طاقة الأجهزة والزيادة المستمرة في الترددات من الأسباب الرئيسية التي تسبب التسخين المفرط للمكونات الإلكترونية. إن الاستخدام المتزايد على نطاق واسع لأشباه الموصلات مع انخفاض فقدان الطاقة والتوصيل الحراري الأفضل، مثل المواد ذات فجوة النطاق الواسعة، لا يكفي في حد ذاته للقضاء على الحاجة إلى الإدارة الحرارية الفعالة.

تحقق أجهزة الطاقة الحالية القائمة على السيليكون درجة حرارة الوصلة تتراوح بين حوالي 125 درجة مئوية و200 درجة مئوية. ومع ذلك، يفضل دائمًا تشغيل الجهاز تحت هذا الحد، لأن ذلك سيؤدي إلى تدهور سريع له وتقليل عمره المتبقي. في الواقع، تشير التقديرات إلى أن زيادة درجة حرارة التشغيل بمقدار 20 درجة مئوية، الناتجة عن الإدارة الحرارية غير الصحيحة، يمكن أن تقلل من العمر المتبقي للمكونات بنسبة تصل إلى 50 بالمائة.

نهج التخطيط:

أحد أساليب الإدارة الحرارية المتبعة بشكل شائع في العديد من المشاريع هو استخدام ركائز ذات مستوى مثبطات اللهب القياسي 4 (FR-4)، وهي مادة غير مكلفة وسهلة التشغيل، مع التركيز على التحسين الحراري لتخطيط الدائرة.

وتتعلق التدابير الرئيسية المعتمدة بتوفير أسطح نحاسية إضافية، واستخدام آثار ذات سماكة أكبر، وإدخال طريق حراري أسفل المكونات التي تولد أكبر قدر من الحرارة. تتضمن التقنية الأكثر عدوانية، القادرة على تبديد كمية أكبر من الحرارة، إدخال كتل نحاسية حقيقية في لوحة PCB أو وضعها على الطبقات الخارجية، وعادة ما تكون على شكل عملة معدنية (ومن هنا جاء اسم "العملات النحاسية"). تتم معالجة العملات النحاسية بشكل منفصل ثم يتم لحامها أو ربطها مباشرة بلوحة PCB، أو يمكن إدخالها في الطبقات الداخلية وتوصيلها بالطبقات الخارجية من خلال الممرات الحرارية. يوضح الشكل 1 لوحة PCB التي تم عمل تجويف خاص بها لوضع العملة النحاسية.

يتمتع النحاس بمعامل توصيل حراري يبلغ 380 W/mK، مقارنة بـ 225 W/mK للألمنيوم و0.3 W/mK لـ FR-4. يعد النحاس معدنًا رخيصًا نسبيًا ويستخدم بالفعل على نطاق واسع في تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور؛ ولذلك فهو الخيار الأمثل لصنع العملات النحاسية، والممرات الحرارية، والمسطحات الأرضية، وكلها حلول قادرة على تحسين تبديد الحرارة.

يعد الوضع الصحيح للمكونات النشطة على اللوحة عاملاً حاسماً في منع تكوين النقاط الساخنة، وبالتالي ضمان توزيع الحرارة بالتساوي قدر الإمكان على طول اللوحة بأكملها. وفي هذا الصدد، ينبغي توزيع المكونات النشطة دون ترتيب معين حول ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتجنب تكوين نقاط ساخنة في منطقة معينة. ومع ذلك، فمن الأفضل تجنب وضع المكونات النشطة التي تولد كمية كبيرة من الحرارة بالقرب من حواف اللوحة. على العكس من ذلك، يجب وضعها في أقرب مكان ممكن من مركز اللوحة، مما يفضل توزيع الحرارة بالتساوي. إذا تم تركيب جهاز عالي الطاقة بالقرب من حافة اللوحة، فسوف يؤدي ذلك إلى تراكم الحرارة على الحافة، مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة المحلية. ومن ناحية أخرى، إذا تم وضعه بالقرب من مركز اللوحة، فسوف تتبدد الحرارة على السطح في جميع الاتجاهات، مما يقلل من درجة الحرارة وتبدد الحرارة بسهولة أكبر. لا ينبغي وضع أجهزة الطاقة بالقرب من المكونات الحساسة ويجب أن تكون متباعدة بشكل صحيح عن بعضها البعض.

اختيار الركيزة ثنائي الفينيل متعدد الكلور:

نظرًا لانخفاض التوصيل الحراري — بين {{0}}.2 و0.5 واط/م كلفن — FR-4، فهو غير مناسب بشكل عام للتطبيقات التي تحتاج إلى تبديد كمية كبيرة من الحرارة. الحرارة التي يمكن أن تتراكم في الدوائر عالية الطاقة كبيرة، وتتفاقم بسبب حقيقة أن هذه الأنظمة تعمل غالبًا في بيئات قاسية ودرجات حرارة شديدة. قد يكون استخدام مادة ركيزة بديلة ذات موصلية حرارية أعلى خيارًا أفضل من استخدام FR-4 التقليدي.

توفر المواد الخزفية، على سبيل المثال، مزايا كبيرة للإدارة الحرارية لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية الطاقة. بالإضافة إلى التوصيل الحراري المحسن، توفر هذه المواد خصائص ميكانيكية ممتازة تساعد على تعويض الضغط المتراكم أثناء التدوير الحراري المتكرر. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع المواد الخزفية بفقدان عازل أقل عند التشغيل عند ترددات تصل إلى 10 جيجا هرتز. بالنسبة للترددات الأعلى، من الممكن دائمًا اختيار المواد الهجينة (مثل PTFE)، والتي توفر خسائر منخفضة بنفس القدر مع انخفاض متواضع في التوصيل الحراري.

كلما زادت الموصلية الحرارية للمادة، كلما كان انتقال الحرارة أسرع. ويترتب على ذلك أن المعادن مثل الألومنيوم، بالإضافة إلى كونها أخف وزنًا من السيراميك، توفر حلاً ممتازًا لنقل الحرارة بعيدًا عن المكونات. يعتبر الألومنيوم على وجه الخصوص موصلًا ممتازًا، وله متانة ممتازة، وقابل لإعادة التدوير، وغير سام. بفضل الموصلية الحرارية العالية، تساعد الطبقات المعدنية على نقل الحرارة بسرعة في جميع أنحاء اللوحة. تقدم بعض الشركات المصنعة أيضًا مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مكسوة بالمعدن، حيث تكون كلتا الطبقتين الخارجيتين مكسوتين بالمعدن، وعادةً ما تكون من الألومنيوم أو النحاس المجلفن. من وجهة نظر التكلفة لكل وحدة وزن، يعد الألومنيوم هو الخيار الأفضل، بينما يوفر النحاس موصلية حرارية أعلى. يستخدم الألومنيوم على نطاق واسع لبناء مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي تدعم مصابيح LED عالية الطاقة (يظهر المثال في الشكل 2)، وهو مفيد أيضًا بشكل خاص لقدرته على عكس الضوء بعيدًا عن الركيزة.

يمكن تصفيح مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المعدنية، والمعروفة أيضًا باسم الركائز المعدنية العازلة (IMS)، مباشرة في لوحة PCB، مما ينتج عنه لوحة تحتوي على ركائز FR-4 ونواة معدنية مزودة بتقنية أحادية الطبقة وطبقة مزدوجة مع توجيه للتحكم في العمق، الذي يعمل على نقل الحرارة بعيدًا عن المكونات الموجودة على متن الطائرة وإلى المناطق الأقل أهمية. في IMS PCBs، يتم وضع طبقة رقيقة من العازل الكهربائي الموصل للحرارة ولكن العازل كهربائيًا بين قاعدة معدنية ورقاقة نحاسية. يتم حفر رقائق النحاس في نمط الدائرة المرغوب فيه وتمتص القاعدة المعدنية الحرارة من هذه الدائرة من خلال العازل الكهربائي الرقيق.

المزايا الرئيسية التي تقدمها IMS PCBs هي ما يلي:

1. تبديد الحرارة أعلى بكثير من إنشاءات FR-4 القياسية.

2. تكون المواد العازلة عادةً أكثر توصيلًا حراريًا بمقدار 5 × إلى 10 × من زجاج الإيبوكسي العادي.

3. يعد النقل الحراري أكثر كفاءة بشكل كبير من ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدي.

4. إلى جانب تقنية LED (اللافتات المضيئة، وشاشات العرض، والإضاءة)، تُستخدم لوحات دوائر IMS على نطاق واسع في صناعة السيارات (المصابيح الأمامية، والتحكم في المحرك، وتوجيه الطاقة)، ​​وفي إلكترونيات الطاقة (إمدادات الطاقة DC، والعاكسات، والتحكم في المحرك) ، في المحولات، وفي مرحلات أشباه الموصلات.