आरएफ अनुप्रयोगों और उच्च गति संकेतों से जुड़े सिस्टम सहित पूरे बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग, उन समाधानों की ओर बढ़ रहा है जो कभी-कभी छोटे स्थानों में तेजी से जटिल कार्यक्षमता प्रदान करते हैं। डिजाइनरों को प्रभावी थर्मल प्रबंधन सहित सिस्टम आकार, वजन और शक्ति की आवश्यकताओं को पूरा करने में तेजी से मांग वाली चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जो बदले में पीसीबी के डिजाइन के साथ शुरू होता है।
अत्यधिक एकीकृत सक्रिय बिजली उपकरण (उदाहरण के लिए, एमओएसएफईटी ट्रांजिस्टर) बड़ी मात्रा में गर्मी का उत्सर्जन करते हैं, जिसके लिए पीसीबी की आवश्यकता होती है जो गर्म घटकों से गर्मी को जमीन या गर्मी सिंक सतह पर स्थानांतरित कर सकते हैं ताकि जितना संभव हो उतना कुशलता से काम किया जा सके। थर्मल तनाव बिजली डिवाइस की विफलता के मुख्य कारणों में से एक है, क्योंकि यह प्रदर्शन में गिरावट का कारण बन सकता है और यहां तक कि सिस्टम विफलता या खराबी का कारण भी बन सकता है। डिवाइस पावर घनत्व की तेजी से वृद्धि और बढ़ती आवृत्ति इलेक्ट्रॉनिक घटकों में ओवरहीटिंग के मुख्य कारण हैं। जबकि कम बिजली के नुकसान और बेहतर तापीय चालकता वाले अर्धचालक, जैसे कि व्यापक बैंड सामग्री, का अधिक से अधिक बड़े पैमाने पर उपयोग किया जा रहा है, वे प्रभावी थर्मल प्रबंधन की आवश्यकता को खत्म करने के लिए स्वयं पर्याप्त नहीं हैं।
वर्तमान सिलिकॉन-आधारित बिजली उपकरणों को लगभग 125 डिग्री सेल्सियस और 200 डिग्री सेल्सियस के बीच जंक्शन तापमान पर प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, डिवाइस को इस सीमित स्थिति से अधिक के बिना हमेशा संचालित करने की अनुमति देना वांछनीय है, इस प्रकार डिवाइस की तेजी से उम्र बढ़ने से बचना और इसके शेष जीवनकाल को छोटा करना। वास्तव में, यह अनुमान लगाया गया है कि यदि अनुचित थर्मल प्रबंधन ऑपरेटिंग तापमान में 20 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि की ओर जाता है, तो घटक के शेष जीवन में परिणामी कमी 50% तक होगी।
लेआउट वायरिंग (लेआउट) पद्धति
कई परियोजनाओं में उपयोग की जाने वाली एक सामान्य थर्मल प्रबंधन विधि एक मानक लौ retardant वर्ग 4 (FR-4) सब्सट्रेट का उपयोग है, जो एक सस्ती और प्रक्रिया सामग्री है जो सर्किट लेआउट के थर्मल अनुकूलन पर केंद्रित है।
उपयोग किए जाने वाले मुख्य उपायों में अतिरिक्त तांबे की सतहों को प्रदान करना, मोटे संरेखण का उपयोग करना, और उन घटकों के तहत गर्मी सिंक सम्मिलित करना शामिल है जो सबसे अधिक गर्मी उत्पन्न करते हैं। अधिक गर्मी को खत्म करने के लिए एक अधिक कट्टरपंथी तकनीक में पीसीबी या सबसे बाहरी परत के लिए एक वास्तविक तांबा ब्लॉक डालना या लागू करना शामिल है, जो आमतौर पर एक सिक्के के आकार में होता है, इसलिए नाम "तांबे का सिक्का" है। तांबे के सिक्के को अलग से संसाधित करने के बाद, इसे सोल्डर किया जा सकता है या सीधे पीसीबी से जोड़ा जा सकता है, या इसे आंतरिक परत में डाला जा सकता है और गर्मी सिंक के माध्यम से बाहरी परत से जोड़ा जा सकता है। चित्रा 1 में दिखाया गया पीसीबी एक तांबे के सिक्के को समायोजित करने के लिए एक विशेष गुहा में बनाया गया है।
तांबे की तापीय चालकता 380 W/mK है, जबकि एल्यूमीनियम के लिए 225 W/mK और FR-4 के लिए 0.3 W/mK है। कॉपर एक अपेक्षाकृत सस्ती धातु है जिसका व्यापक रूप से पीसीबी विनिर्माण में उपयोग किया जाता है; इसलिए, यह तांबे के सिक्के, गर्मी सिंक छेद, और जमीन की परतें बनाने के लिए आदर्श है - सभी समाधान जो गर्मी अपव्यय में सुधार करते हैं।
बोर्ड पर सक्रिय उपकरणों का सही प्लेसमेंट हॉट स्पॉट को बनाने से रोकने में एक महत्वपूर्ण कारक है, इस प्रकार यह सुनिश्चित करना कि गर्मी को बोर्ड भर में यथासंभव समान रूप से वितरित किया जाता है। इस संबंध में, सक्रिय उपकरणों को पीसीबी के चारों ओर किसी विशेष क्रम में वितरित नहीं किया जाना चाहिए, इस प्रकार विशिष्ट क्षेत्रों में गर्म स्थानों के गठन से बचा जाना चाहिए। हालांकि, सक्रिय उपकरणों को रखने से बचना सबसे अच्छा है जो बोर्ड के किनारे के पास बहुत अधिक गर्मी उत्पन्न करते हैं। इसके बजाय, उन्हें बोर्ड के केंद्र के जितना संभव हो उतना करीब रखा जाना चाहिए, इस प्रकार समान गर्मी वितरण की सुविधा प्रदान की जानी चाहिए। यदि उच्च शक्ति वाले उपकरणों को बोर्ड के किनारे के पास स्थापित किया जाता है, तो वे किनारे पर गर्मी जमा करेंगे, इस प्रकार स्थानीय तापमान में वृद्धि होगी। दूसरी ओर, यदि उन्हें बोर्ड के केंद्र के पास रखा जाता है, तो गर्मी को सतह के साथ सभी दिशाओं में वितरित किया जाएगा, जिससे तापमान को कम करना आसान हो जाएगा और गर्मी वितरित करना आसान हो जाएगा। पावर उपकरणों को संवेदनशील घटकों के करीब नहीं रखा जाना चाहिए और एक-दूसरे से ठीक से दूरी पर रखा जाना चाहिए।
लेआउट स्तर पर किए गए उपायों को सक्रिय शीतलन और निष्क्रिय शीतलन प्रणालियों (जैसे गर्मी सिंक या प्रशंसकों) का उपयोग करके और बेहतर बनाया जा सकता है - ऐसी प्रणालियां इसे सीधे बोर्ड में उत्सर्जित करने के बजाय सक्रिय उपकरणों से गर्मी को हटा सकती हैं। सामान्य तौर पर, डिजाइनरों को विशेष अनुप्रयोग और उपलब्ध बजट की आवश्यकताओं के आधार पर विभिन्न थर्मल प्रबंधन रणनीतियों के बीच सही समझौता मिलना चाहिए।
पीसीबी सब्सट्रेट चयन
FR-4 आमतौर पर उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं है जिन्हें इसकी कम थर्मल चालकता (0.2 और 0.5 W / mK के बीच) के कारण बड़ी मात्रा में गर्मी के अपव्यय की आवश्यकता होती है। उच्च-शक्ति सर्किट में उत्पन्न गर्मी काफी हो सकती है, और ये प्रणालियां अक्सर कठोर वातावरण और चरम तापमान में काम करती हैं। उच्च थर्मल चालकता के साथ एक वैकल्पिक सब्सट्रेट सामग्री का उपयोग करना पारंपरिक एफआर -4 का उपयोग करने की तुलना में एक बेहतर विकल्प हो सकता है।
सिरेमिक सामग्री, उदाहरण के लिए, उच्च शक्ति वाले पीसीबी के थर्मल प्रबंधन के लिए महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है। ऐसी सामग्रियों में, थर्मल चालकता में सुधार के अलावा, उत्कृष्ट यांत्रिक गुण भी होते हैं और इस प्रकार दोहराए जाने वाले थर्मल साइकिल िंग के दौरान संचित तनाव की भरपाई करने में मदद करते हैं। इसके अलावा, सिरेमिक सामग्री में 10 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर कम ढांकता हुआ नुकसान होता है। उच्च आवृत्तियों के लिए, हाइब्रिड सामग्री (जैसे पीटीएफई) का चयन करना हमेशा संभव होता है, जो समान कम नुकसान प्रदान करते हैं लेकिन थर्मल चालकता में मध्यम कमी के साथ।
सामग्री की तापीय चालकता जितनी अधिक होगी, गर्मी हस्तांतरण उतना ही तेजी से होगा। इस प्रकार, सिरेमिक की तुलना में हल्का होने के अलावा, एल्यूमीनियम जैसी धातुएं घटकों से दूर गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए एक उत्कृष्ट समाधान प्रदान करती हैं। विशेष रूप से एल्यूमीनियम भी एक उत्कृष्ट कंडक्टर है, उत्कृष्ट स्थायित्व है, पुनर्नवीनीकरण योग्य है, और गैर विषैले है। इसकी उच्च थर्मल चालकता के कारण, धातु की परत पूरे बोर्ड में गर्मी को जल्दी से स्थानांतरित करने में मदद करती है। कुछ निर्माता धातु-पहने पीसीबी भी प्रदान करते हैं जहां दोनों बाहरी परतें धातु-पहने होते हैं, आमतौर पर एल्यूमीनियम या जस्ती तांबा। एल्यूमीनियम लागत-प्रति-वजन परिप्रेक्ष्य से सबसे अच्छा विकल्प है, जबकि तांबे में उच्च थर्मल चालकता है। एल्यूमीनियम का उपयोग व्यापक रूप से पीसीबी बनाने के लिए भी किया जाता है जो उच्च शक्ति वाले एलईडी का समर्थन करते हैं (जैसा कि चित्रा 2 में उदाहरण में दिखाया गया है), जहां सब्सट्रेट से दूर प्रकाश को प्रतिबिंबित करने की इसकी क्षमता भी विशेष रूप से उपयोगी है।
यहां तक कि चांदी, तांबे की तुलना में लगभग 5% अधिक की अपनी थर्मल चालकता के कारण, संरेखण, वियास, पैड और धातु की परतों को बनाने के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है। इसके अलावा, यदि बोर्ड का उपयोग एक आर्द्र वातावरण में किया जाता है जहां विषाक्त गैसें मौजूद हैं, तो नंगे तांबे के संरेखण और तांबे के सोल्डर पैड पर चांदी के खत्म होने का उपयोग जंग को रोकने में मदद करेगा - इस तरह के वातावरण में ज्ञात एक विशिष्ट खतरा।
धातु पीसीबी, जिसे इंसुलेटेड मेटल सब्सट्रेट्स (आईएमएस) के रूप में भी जाना जाता है, को सीधे पीसीबी में एफआर -4 सब्सट्रेट और धातु कोर के साथ बोर्ड बनाने के लिए टुकड़े टुकड़े में किया जा सकता है। एकल और डबल परत प्रौद्योगिकियों का उपयोग गहराई-नियंत्रित तारों के साथ किया जाता है, जिससे गर्मी को ऑन-बोर्ड घटकों से कम महत्वपूर्ण क्षेत्रों में स्थानांतरित किया जा सकता है। आईएमएस पीसीबी में, थर्मल रूप से प्रवाहकीय लेकिन विद्युत रूप से इन्सुलेट ढांकता हुआ की एक पतली परत एक धातु सब्सट्रेट और तांबे की पन्नी के बीच टुकड़े टुकड़े में होती है। तांबे की पन्नी को वांछित सर्किट पैटर्न में उकेरा जाता है और धातु सब्सट्रेट इस पतली ढांकता हुआ के माध्यम से सर्किट से गर्मी को अवशोषित करता है।
आईएमएस पीसीबी द्वारा पेश किए जाने वाले मुख्य लाभ निम्नानुसार हैं।
मानक FR-4 संरचनाओं की तुलना में काफी अधिक गर्मी अपव्यय।
ढांकता हुआ की थर्मल चालकता आमतौर पर साधारण एपॉक्सी ग्लास की तुलना में 5 से 10 गुना अधिक होती है।
गर्मी हस्तांतरण की दक्षता पारंपरिक पीसीबी की तुलना में बहुत अधिक है।
एलईडी प्रौद्योगिकी (प्रबुद्ध संकेत, डिस्प्ले और प्रकाश व्यवस्था) के अलावा, आईएमएस पीसीबी का व्यापक रूप से ऑटोमोटिव उद्योग (हेडलाइट्स, इंजन नियंत्रण और पावर स्टीयरिंग), पावर इलेक्ट्रॉनिक्स (डीसी पावर सप्लाई, इन्वर्टर और इंजन नियंत्रण), स्विच और सेमीकंडक्टर रिले में उपयोग किया जाता है।