التبريد الفعال لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية الطاقة

الحرارة هي خطر محتمل يمكن أن يعرض للخطر طول عمر وموثوقية أي دائرة كهربائية. عند التعرض للحرارة المفرطة ، قد تتحلل مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور وأجهزة الطاقة من ظروف التشغيل الاسمية التي كان من المفترض أن تعمل من أجلها. نتيجة لذلك ، تصبح الإدارة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية عند تطوير مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور بأجهزة عالية الطاقة.

لذلك ، يجب مراعاة درجة حرارة التشغيل القصوى للوحة واستهلاك الطاقة لكل مكون قبل الشروع في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور جديد. يعد تعريف التخطيط ووضع المكونات خطوتين أوليتين مطلوبتين لتحديد مسار تبديد الحرارة من الأجهزة عالية الطاقة.

نظرًا لأنه من المرجح حدوث ارتفاع درجة الحرارة على الألواح المعبأة بمكونات عالية الطاقة ، يجب أن يتجنب التصميم الدقيق التأثيرات التالية الناتجة عن الحرارة العالية وغير المتحكم فيها:

• تحلل مادة PCB العازلة والركيزة
• الأضرار التي لحقت الآثار الموصلة (حرق جزئي أو كلي)
• فصل نقاط اللحام عن الطبقة الأساسية

ستقدم هذه المقالة توصيات مفيدة للمصمم لمعالجة المشكلات المتعلقة بتبريد ثنائي الفينيل متعدد الكلور الذي يحمل مكونات عالية الطاقة.

التبريد النشط والسلبي

يمكن تصنيف طرق تبريد ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى فئتين رئيسيتين: أنظمة التبريد النشطة وأنظمة التبريد السلبي.

يعتمد اختيار طريقة التبريد الأكثر ملاءمة على درجة حرارة دلتا بين لوحة PCB والبيئة التي ستعمل فيها اللوحة. عادةً ما يكون التبريد السلبي هو الخيار الأفضل عندما تتجاوز درجة الحرارة الخارجية درجة حرارة عمل PCB. ومع ذلك ، سيتعين تنفيذ بعض التبريد النشط عندما تزداد الحرارة الناتجة عن الأجهزة عالية الطاقة كثيرًا ، بحيث تقترب من درجات الحرارة القصوى.

يُنصح باستخدام المناطق النحاسية ، الموجودة عادةً أسفل الجهاز ، للتبريد السلبي لمكونات الطاقة لتعزيز تشتت الحرارة المنتظم والمتساوي. للمساعدة في هذا الإجراء ، يتم توفير العديد من هذه المكونات مع ألسنة معدنية (انظر الشكل 1).

ومع ذلك ، يجب ألا تبرز الوسادة الموجودة أسفل المكون متجاوزة حواف المكون. قد يلزم إضافة مبدد حراري على الجانب العلوي للجهاز لتبديد الحرارة الزائدة إذا كانت وسادة واحدة غير كافية لخفض درجة الحرارة إلى المستوى المطلوب. يُنصح عادةً بوضع وسادة حرارية ، أو معجون حراري ، على المبدد الحراري لتعزيز نقل الحرارة إلى المبرد. يوضح الشكل 2 طبقة من معجون حراري مطبق على مشعاع معالج.

ومع ذلك ، هناك حالات لا يمكن فيها تجنب نظام التبريد النشط. على سبيل المثال ، قد يكون من الضروري تضمين نظام تبريد نشط ، مثل المروحة ، إذا كان التبريد السلبي غير كافٍ لخفض درجة حرارة المكونات ذات الطلب الحالي العالي ، بما في ذلك FPGAs ، أو وحدات معالجة الرسومات ، أو وحدات المعالجة المركزية ، أو غيرها من الأجهزة النشطة التي تعمل عند التبديل العالي الترددات. يتم تحديد كيان التبريد النشط من خلال سرعة دوران المروحة ، والتي يتم تنظيمها غالبًا بناءً على درجة حرارة القالب أو العبوة كما تم قياسها بواسطة مستشعر معين.

في هذا السيناريو ، يجب أن يتضمن تصميم اللوحة إشارة PWM لتنظيم سرعة المروحة ومستشعر لقياس درجة حرارة المكون. لسوء الحظ ، فإن الانبعاثات الكهرومغناطيسية المشعة (EMI) عند تردد التبديل الأساسي وكل نغمات أعلى سيتم إنشاؤها بواسطة مروحة يتم التحكم فيها من خلال إشارة PWM. ومن ثم ، إذا تم استخدام مروحة ، فمن المطلوب إما دمج آليات لقمع الضوضاء الكهرومغناطيسية (مثل المرشحات أو الإختناقات) أو تجنب وضع المكونات المعرضة للاضطرابات في البيئة المحيطة.

تعتمد تقنيات التبريد الأكثر فاعلية ، مثل تلك المستخدمة في مكبرات الصوت عالية الطاقة أو اللوحات الأم عالية الأداء ، على عناصر التبريد (الجليكول أو الماء) التي تتدفق في الأنابيب المعدنية ، وتزيل الحرارة بعيدًا عن الأماكن التي يوجد بها أعلى تركيز.

اختيار مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور

إلى جانب طرق التبريد النشط والسلبي ، هناك عامل حاسم آخر لتحقيق أداء إدارة حراري ممتاز وهو اختيار مواد معينة بشكل صحيح لطبقات وركائز ثنائي الفينيل متعدد الكلور. مقارنة بالحلول الأكثر تقليدية والأقل تكلفة ، يجب أن توفر هذه المواد موصلية حرارية أعلى وتوزيعًا منتظمًا للحرارة عبر اللوحة.

FR-4 ، المادة الأكثر شيوعًا لركائز ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية ، لها موصلية حرارية منخفضة جدًا. يمكن اعتبار مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المصنوعة من الألومنيوم أو المعدن (MCPCBs) للتطبيقات التي تستخدم مكونات عالية الطاقة مثل MOSFETs أو مصابيح LED للطاقة. لسوء الحظ ، تقيد هذه الحلول عدد الطبقات المضمنة في تكديس ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

بديل آخر هو استخدام آثار نحاسية أكثر سمكًا لتوصيل أجهزة الطاقة. ومع ذلك ، فإن إنشاء آثار ضيقة العرض يصبح أكثر صعوبة كلما زاد سمك النحاس ، مما يؤدي إلى تتبع تحديات التباعد في التخطيط.

حتى لو كان الأمر صعبًا ويتطلب بعض الجهد لتوزيع الحرارة بالتساوي أثناء عملية تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يجب على المصممين تجنب إنشاء مناطق طاقة كثيفة للغاية (وبالتالي طاقة حرارية).

قواعد تصميم التخطيط لتحسين تبريد ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يمكن للمصممين تنظيم تشتت الحرارة بنجاح أثناء تحديد تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور من خلال الالتزام ببعض المعايير الأساسية. دعونا نلقي نظرة على ما تتضمنه هذه الاقتراحات.

في البداية ، من الأفضل تركيب معدات حساسة لدرجة الحرارة في الأماكن ذات درجات الحرارة المنخفضة ولا تقترب أبدًا من معدات التبريد.

اعتمادًا على مستوى الأداء الحراري ، يجب أن تكون مصادر الحرارة الأولية لثنائي الفينيل متعدد الكلور متباعدة قدر الإمكان. يجب وضع المكونات الأكثر برودة في مقدمة مروحة التبريد في حالة وجودها ، ويجب وضع الأجهزة التي تنتج قدرًا كبيرًا من الحرارة أو لديها مقاومة حرارية عالية في اتجاه مجرى تدفق التبريد.

يجب وضع الأجهزة التي تنتج قدرًا كبيرًا من الحرارة في المناطق التي بها أفضل تبديد للحرارة. على سبيل المثال ، احتفظ بهذه المكونات بعيدًا عن الزوايا وحواف ثنائي الفينيل متعدد الكلور ما لم يكن لديها غرفة تبريد مناسبة. يجب وضع المكونات عالية الطاقة بالقرب من مركز اللوحة لأنها كثيرًا ما تصبح مصدرًا للسخونة الزائدة لتشتت الحرارة بالتساوي في جميع أنحاء الدائرة.

وبالمثل ، يجب استخدام قلب ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتركيب مكونات عالية الطاقة مثل المعالجات وأجهزة التحكم الدقيقة. سيتسبب المكون عالي الطاقة الموضوع بالقرب من حافة اللوحة في ارتفاع درجة الحرارة المحلية وتراكم الحرارة عند الحافة. في المقابل ، سيتم توزيع الحرارة بالتساوي في جميع أنحاء سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور إذا تم وضع الجهاز في منتصف اللوحة. نتيجة لذلك ، ستنخفض درجة حرارة سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

من الأفضل ترتيب الدوائر المتكاملة أو عمومًا أي أجهزة تبدد قدرًا كبيرًا من الحرارة بترتيب طولي على الألواح التي تستخدم نظام تبريد هواء حراري. في المقابل ، يوصى بترتيب نفس المكونات في الاتجاه العرضي إذا كنت تستخدم نظام تبريد قسريًا (نشطًا).

يُنصح دائمًا باستخدام الأنابيب الحرارية ، بالقرب من مصدر الحرارة قدر الإمكان ، لتعزيز التوصيل الحراري وتشجيع تبديدها عبر منطقة أوسع. يمكن توزيع الحرارة بشكل موحد في جميع أنحاء PCB باستخدام فتحات حرارية لنقل الحرارة إلى الطائرات الأرضية المدرجة في مكدس ثنائي الفينيل متعدد الكلور. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل الطائرة الأرضية الموضوعة أسفل آثار إرسال الإشارة على تحسين سلامة الإشارة وتقليل الضوضاء أثناء العمل كمشتت للحرارة.

لنقل الحرارة بشكل فعال بعيدًا عن المكونات الساخنة ، يجب وضع فتحات حرارية أسفل تلك ذات درجات حرارة تشغيل عالية أو متغيرة للغاية (على سبيل المثال ، مكونات الطاقة مثل المنظمين أو الترانزستورات أو الدوائر المنطقية عالية التكامل مثل وحدات المعالجة المركزية و FPGAs). يمكن تصميم الفتحات الحرارية بشكل مناسب لتمكين سطح تلامس أكبر وبالتالي تبريد أكثر كفاءة. يمكن أيضًا تحقيق هذا الهدف بسهولة أكبر باستخدام العديد من المصفوفات الحرارية.

توفر الطائرات الأرضية القوية غير المنقطعة أداءً حراريًا محسّنًا وهي ضرورية لأي تصميم. في الواقع ، تعد الطائرات الأرضية آلية مباشرة لكنها فعالة بشكل لا يصدق لتبديد الحرارة الزائدة عن طريق تحويلها من مصادر الخلق إلى مواقع ذات مساحة سطح أكبر لحرارة أقل تركيزًا. زيادة تحسين تبديد الحرارة باستخدام الطبقات الخارجية حيث تتيح الطائرات الأرضية تبريدًا إضافيًا بالحمل الحراري عبر منطقة ، بشكل مثالي بالقرب من حجم اللوحة.

تعتمد إدارة حراري ثنائي الفينيل متعدد الكلور بشكل أساسي على شكل الوسادة. نظرًا لأن الطبقة النحاسية العلوية للوسادة هي المكان الذي تتشتت فيه الحرارة ، يجب أن تكون هذه الطبقة سميكة بما يكفي لتوزيع الحرارة عبر مساحة أكبر. من الضروري التأكد من أن المقطع العرضي للوسادة كافٍ لنقل الحرارة إلى غرفة التبريد لأن المبددات الحرارية توضع في كثير من الأحيان على الطبقة السفلية للوسادة النحاسية.