Silnoprúdové dosky plošných spojov Technológia čiastočnej hrubej medi; Obvody na výrobu elektroniky; Electronicsnet

9. novembra 2015, 8:17 | Alfred Goldbacher

Mnoho priemyselných aplikácií vyžaduje nielen veľa energie, ale aj logiku riadenia na rovnakej doske s plošnými spojmi. Tu prichádza na rad technológia Wirelaid, ktorá sa dá použiť na chladenie výkonových komponentov aj na miniaturizáciu systému.

Populárne príslovie „veľa pomáha veľa“ dosahuje svoje hranice v každodennom živote rovnako ako v technológii obvodových dosiek. Veľa medi je rovnako cenné z hľadiska únosnosti prúdu ako z hľadiska efektívneho chladenia výkonových komponentov. Ako už bolo ukázané v [1], hrubá meď je drahá a na vonkajších vrstvách nie je vhodná pre technológiu SMD.

Obr. 1. Testovacia séria je založená na hodnotiacej doske od spoločnosti Würth Elektronik, na ktorej sa pomocou termovíznej kamery skúma tepelná záťaž napájacieho modulu MagI3C vrátane externých obvodov.

To je miesto, kde technológia čiastočnej hrubej medi Wirelaid ukazuje svoje výhody: Vyššie medené prierezy sú k dispozícii iba v miestach, kde sú potrebné - teda priamo na výkonovom komponente, aby sa zabránilo vzniku horúcich miest a zvýšila sa spoľahlivosť a životnosť komponentov. Nasleduje ukážka potenciálu tejto možnosti návrhu na základe experimentu.

Konfliktné požiadavky na dizajn

Dizajn moderných výkonových komponentov - napríklad výkonových MOSFETov v puzdre D²PAK - má veľké medené prierezy na vnútornej strane a veľkú centrálnu tepelnú podložku na vonkajšej strane. Výsledkom je, že teplo, ktoré sa generuje v kryte na čipe v dôsledku straty energie, sa môže odvádzať z krytu s čo najmenším tepelným odporom. V ďalšom priebehu tepelnej dráhy sa musia optimalizovať tepelné odpory, aby mohlo dôjsť k účinnému chladeniu. Dobré tepelné spojenie s doskou s plošnými spojmi sa dosiahne plochým spájkovaním bez kontaktov na doske. Aby bolo možné odtiaľ distribuovať teplo, sú opäť potrebné veľké medené prierezy. To je však v rozpore s požiadavkami na jemné vodiče povrchovo montovateľných výkonových komponentov a ďalších obvodov SMD (Obrázok 1).

Toto vyváženie je úspešné pri technológii čiastočnej hrubej medi Wirelaid: Zváranie drôtov na zadnej strane medenej fólie sa ukazuje ako mimoriadne výhodné na odvádzanie tepla priamo pod vyhrievaciu dosku súčasti. To znamená, že nie sú potrebné tepelné priechody v spájkovacej doštičke so všetkými známymi nevýhodami. Tento prístup funguje aj s úzkym poľom výkonových komponentov za predpokladu, že kontakty tepelnej podložky sú na rovnakom potenciáli.

Štandardná doska s plošnými spojmi v prevádzke, obrázky 2 až 4

Efekt je prostredníctvom pomocou Obrázky 2, 3 a 4 Zaznamenaná skúšobná séria demonštrovala: Na hodnotiacej doske znázornenej na obrázku 1 je zapnutá výkonová súčasť s nominálnou stratou výkonu 16,5 W/cm² a je sledovaná termovíznou kamerou. Asi po piatich sekundách vidíte zakopané vodiče vľavo a vpravo od komponentu (obr. 2), pretože sa zahrievajú v dôsledku rozptylu tepelných strát. Ak test pokračuje, kým sa nezahreje na maximum, štandardná doska s plošnými spojmi (obrázok 3) ukazuje jasný horúci bod. Zatiaľ čo doska plošných spojov Wirelaid (obr. 4) vykazuje celkovo vyššiu úroveň teploty, komponent zostáva výrazne chladnejší: chladenie funguje.

Vyjadrené v číslach: Teplota výkonovej zložky je o 17 K nižšia v prípade zakopaných chladiacich drôtov Wirelaid, čo zodpovedá predĺženiu životnosti štvornásobne. Ak je komponent použitý v testovacej sérii prevádzkovaný na hranici špecifikácie, je možné na implementáciu pohodlného životného poistenia za veľmi priaznivých podmienok použiť prístup založený na Wirelaid.

Ušetrite náklady na systém

V porovnaní so štandardnou hrubou medenou doskou s plošnými spojmi boduje doska plošných spojov Wirelaid aj argumentmi špecifickými pre dané náklady, a to o to viac, ak sa porovnanie nákladov robí na systémovej úrovni. Andreas Schilpp, zodpovedný produktový manažér pre Wirelaid a vysokoprúdové produkty spoločnosti Würth Elektronik, tiež zdôrazňuje tento aspekt: „Najväčší potenciál úspor technológie Wirelaid prichádza do úvahy predovšetkým pri zložitejších systémoch“.

Toto zistenie možno názorne ilustrovať, ak sa porovnajú systémové náklady na viacvrstvový obvod so šiestimi vrstvami a logický modul s nákladmi na ekvivalentnú dosku plošných spojov Wirelaid (stôl).

Tabuľka. Porovnanie týchto dvoch riešení ukazuje, ktoré úspory je možné dosiahnuť pri dizajnoch dosiek plošných spojov implementovaných technológiou Wirelaid.

Ako prípadová štúdia je toto porovnanie založené na šesťvrstvovom viacvrstvovom obvode, v ktorom vysoko účinnú úlohu preberajú medené vrstvy s hrúbkou 105 um. Logika je implementovaná na module s technológiou ultrajemných drôtov a kontaktovaná na základnej doske cez konektory. V prípade adekvátneho riešenia s Wirelaidom však možno logický modul vďaka možnosti jemných štruktúr úplne integrovať do montážnej vrstvy. „Týmto spôsobom je eliminovaná technológia pripojenia, ako aj všetky ostatné systémové náklady na modul a manželstvo,“ vysvetľuje Andreas Schilpp. „V tomto príklade možno náklady znížiť prakticky na polovicu.“ Existujú aj ďalšie výhody spojené so systémom, ktoré vyplývajú z nižšieho množstva medi, t. J. Z nižšej tepelnej kapacity:

Výrazné zjednodušenie procesu spájkovania, ako aj úspora procesných nákladov na špeciálne procesy spájkovania a vyššia výťažnosť
Možné je ručné a selektívne spájkovanie - tiež pri opravách
Znateľné zníženie hmotnosti

Stručne povedané, existujú príležitosti na zníženie nákladov na úrovni systému prostredníctvom integrácie logických modulov, ďalej prostredníctvom úspory káblov a spojovacej technológie, ako aj zníženia veľkosti dosky s plošnými spojmi z dôvodu menšej potreby miesta.

literatúry

[1] Navarte na palube medené drôty. Elektronik 2015, H.20, s. 48.
[2] Westenkirchner, J.; Goldbacher, A .: Vyvarujte sa úzkych miest. Elektronik 2014, č. 24, s. 45.
[3] Westenkirchner, J.: Obtoky pre veľké prietoky. Elektronik 2010, č. 26, s. 20.