No 1 2021
Elektronisten laitteiden lämmönhallinta entistä tärkeämpää
MORE ARTICLES ON THIS TOPIC:
Elektroniikan lämmönhallintaan tarkoitettujen ratkaisujen tarve kasvaa. Teknologian nopea kehitys on lisännyt myös piirilevyjä koskevia vaatimuksia. Tässä numerossa NCAB:n asiantuntijat kuvaavat tätä kehitystä ja kertovat käytettävissä olevista lämmönhallintamenetelmistä.
Moderneissa elektroniikkajärjestelmissä ja erityisesti tehosovelluksissa on kiinnitettävä huomiota kahteen päätekijään: tehonsiirtokyky ja lämmönhallinta.Tehonsiirtokyky määrittää, kuinka paljon tehoa voidaan siirtää ilman suuria häviötä.
Lämmönhallinta pyrkii varmistamaan, että järjestelmässä olevat laitteet voivat toimia ja pysyvät hyväksyttävien lämpötilojen rajoissa. Lämmönhallinta tarkoittaa periaatteessa menetelmiä, joilla lämpöä siirretään paikasta toiseen. Perinteisesti se on toteutettu kiinnittämällä ulkoinen lämpönielu eli jäähdytyselementti lämpöä muodostavan komponentin päälle. Mutta mitä jos itse piirilevy muodostaa lämpöä? Tai jos komponentin päälle ei voida kiinnittää jäähdytyselementtiä mekaanisista syistä?
Sähkövirran tehohäviöt muuttuvat vääjäämättä lämpöenergiaksi, ja tämä lämpöenergia täytyy poistaa, jotta se ei nosta muiden laitteiden lämpötilaa. Jos lämmönpoisto ei ole riittävää, komponenttien käyttöikä lyhenee ja ne voivat lisäksi vaurioitua.
Elektronisissa laitteissa ja piirilevyissä tavoitteena on johtaa lämpö pois komponentista, hajauttaa lämpö sisäisesti tai johtaa se piirilevyn yhdeltä puolelta toiselle. Joskus se toteutetaan käyttämällä aktiivisten ratkaisujen yhdistelmiä, kuten ilmankiertoa ulkoisen jäähdytyselementin avulla tai nestejäähdytystä.
“On oltava luova ja löydettävä uusia menetelmiä hukkalämmön poistamiseen tai siirtämiseen.”
Jeffrey Beauchamp
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Innovaatiot lisäävät lämmönhallinnan tarvetta
Viime vuosina elektronisten järjestelmien lämmönhallintaratkaisujen tarve on kasvanut tasaista tahtia. Jeffrey Beauchamp NCAB Group USA, ja Mario Cianfriglia, NCAB Group Italy, kertovat, miten teollisuuden tekniset innovaatiot ovat ajaneet tätä tarvetta.
”Yksi tärkeimmistä suuntauksista elektroniikan valmistuksessa juuri nyt on miniatyrisointi, eli tuotteet ja komponentit ovat entistä pienempiä. Myös piirilevyt ovat entistä pienikokoisempia. Siksi perinteisten ratkaisujen kuten jäähdytyselementtien käyttö on vaikeampaa, koska ne vievät liian paljon tilaa. On siis käytettävä luovuutta ja löydettävä uusia menetelmiä lämmön poistamiseen tai siirtämiseen”, Jeffrey Beauchamp selittää.
Toinen uusi haaste suunnittelijoille on korkeampien lämpötilojen hallinta. Syynä ovat uudet, useampia toimintoja suorittavat komponentit ja suurella nopeudella tapahtuva laskenta: mitä suuremmat laskunopeudet, sitä kuumemmat komponentit.
”Pohjimmiltaan piirilevyjen miniatyyrisointiin on pakko mennä, jotta voitaisiin käyttää yhä pienempiä elektroniikkakomponentteja. Näiden liitäntöjen tiheyttä voi kuvata kaavalla määrä per neliösenttimetri (cm2). ”Levyille on saatava mahtumaan digitaalisia ja tehosignaaleja hallitsevia uusimman sukupolven BGA-komponentteja, joiden juotospisteiden etäisyys on 0,4 mm tai sitä pienempi”, sanoo Mario Cianfriglia.
”Pohjimmiltaan piirilevyjen miniatyyrisointi on välttämätöntä, jotta voitaisiin käyttää yhä pienempiä elektroniikkakomponentteja.”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
Sovellusten lämmönhallinta on vaativa tehtävä
Mario Cianfriglia myös korostaa, että suunnittelijat kohtaavat uusia haasteita, koska elektroniikkaa asennetaan aina vain erilaisiin käyttösovelluksiin.
”Joissakin tapauksissa lämmönhallinta voi olla äärimmäisen vaativaa, kuten energiasektorilla, teollisuussovelluksissa ja autoteollisuudessa, ja etenkin sähköautoissa. Sama pätee monimutkaisempiin käyttösovelluksiin esimerkiksi televiestinnässä ja tutkajärjestelmissä”, hän sanoo.
Langattoman viestinnän viidennen sukupolven eli 5G:n käyttöönoton myötä elektroniikkatuotteet tulevat sisältämään entistä enemmän komponentteja, jotka toimivat entistä suuremmilla nopeuksilla ja muodostat enemmän lämpöä. Samalla kuitenkin signaalien eheys on ehdottoman tärkeää 5G-sovelluksissa.
”Piirilevyt pystyvät nykyisin käsittelemään 3–5 GHz:n signaaleja, mutta 5G:n täysi toiminnallisuus edellyttää vähintään noin 25 GHz:n signaalien käsittelemistä.”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
”Tämä on teknologian alue, jossa signaalien eheys on äärimmäisen tärkeää. Piirilevyt pystyvät nykyisin käsittelemään 3–5 GHz:n signaaleja, mutta 5G:n täysi toiminnallisuus edellyttää vähintään noin 25 GHz:n signaalien käsittelemistä. Oikea lämmönhallinta on erittäin tärkeää, jotta signaalien eheys voidaan varmistaa kaikissa käyttöolosuhteissa. Suurtaajuussignaaleja käsittelevät piirilevyt on suunniteltava siten, että niissä on asianmukainen kerrosrakenne ja sopivat materiaalit sekä oikeanlaisen johdinleveyden, maatason, virransyötön ja signaalien mitoitus”, sanoo Mario Cianfriglia.
”Lämmönhallinnan tarpeen kasvu on vasta alkanut, ja uskon, että tarve todennäköisesti vain lisääntyy. Toivottavasti sen myötä tulee uusia, edistyneempiä menetelmiä lämpöongelmien hallintaan”, sanoo Jeffrey Beauchamp.
Analyysiohjelmat estävät ongelmia
Tuotesuunnittelussa käytetään erilaisia tekniikoita mahdollisten lämpöön liittyvien ongelmien havaitsemiseen. Ennaltaehkäisevään analyysiin on kehitetty erityisiä ohjelmistokokonaisuuksia. On tärkeää, että piirilevyn rakenteessa kaikki mitoitetaan oikein jo suunnitteluvaiheessa. Sitä varten on tiedettävä komponenttien vaatimukset sekä johdinleveyksien ja eristevälien koot sen mukaan, millaisia signaalinopeuksia ja tehoja niiden on tuettava, ja valittava oikeat kuparin ja muiden materiaalien paksuudet.
Saatavana on myös lämpöanalyysityökaluja, ja monia ohjelmistokokonaisuuksia käytetään ennaltaehkäisevään analyysiin, jotta mitoitukset voidaan tehdä suunnittelutasolla. On tärkeää tuntea komponentteihin liittyvät vaatimukset, niin että johdinleveydet ja eristeväliset voidaan mitoittaa sen mukaan, miten nopeita signaaleja ja millaisia tehoja niiden on pystyttävä käsittelemään, ja valita oikea kuparin paksuus ja laminaatin raaka-aine. Visuaalinen tarkastus, jossa etsitään näkyviä merkkejä vaurioista, on järkevää yksinkertaisissa, pelkkää tehosiirtoa varten tarkoitetuissa piirilevyissä. Lämpeneminen heikentää laminaattia ajan myötä ja johtaa hartsien hiiltymiseen. Alue, jossa lämpöenergiaa muodostuu, muuttuu ensin ruskeaksi, ja sen voi havaita tarkastuksessa.
Piirilevykokoonpanon (PCBA) toimintaa on mahdollista simuloida, ja infrapunakameralla voi tarkistaa, missä lämpötila ylittää sallitun rajan. Mutta silloin olemme jo alueella, jolta ei ole paluuta, koska projekti on jo suunniteltu. Tämä on vain ongelman tunnistamiseen sopiva toimenpide. Ehdotamme aina, että olisimme piirilevytoimittajana mukana projektissa alusta lähtien, koska siinä vaiheessa voimme antaa ehdotuksia ja tarjota suunnittelijalle tarvittavat tiedot erinomaiseen suunnittelutyöhön”, sanoo Mario Cianfriglia.
Lämmönhallinnan tarvetta lisäävät tekijät
- Miniatyyrisointi, eli entistä enemmän entistä pienempiä komponentteja pienikokoisemmissa piirilevyissä.
- Elektroniikkaa integroidaan yhä useampiin sovelluksiin.
- Komponentit ovat nopeampia ja muodostavat siten enemmän lämpöä.
- Uusi teknologia johtaa suurempiin signaalitaajuuksiin ja tehonkäsittelyyn, mistä syntyy enemmän lämpöä.
- Signaalin eheys on entistä tärkeämpää 5G:n myötä ja lisää lämmönhallinnan tarvetta.
Asiantuntijat mukaan projektiin varhaisessa vaiheessa
”Taitavat suunnittelijat tekevät lämpösimulaatioita ennen levyjen valmistusta ja ennakoivat, millaisia tulokset voivat olla. Useilla yrityksillä ei kuitenkaan ole kyvykkyyttä monimutkaisiin simulaatioihin tai tarvittavaa ohjelmistoa, joten he noudattavat vain parhaita käytäntöjä ja esittävät kysymyksiä vasta sitten, kun ongelmia esiintyy. Joissakin tapauksissa he ottavat meihin yhteyttä havaittuaan lämpöön liittyviä ongelmia”, sanoo Jeffrey Beauchamp.
Hän suosittelee, että yritykset ottaisivat asiantuntijan kuten NCAB:n mukaan projektiin jo suunnitteluprosessin alussa.
”Kun valitaan oikea vaihtoehto heti alussa, säästyy paljon aikaa, vaivaa ja rahaa.”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
”Siten me voimme tarvittaessa ehdottaa esimerkiksi vaihtoehtoista kerrosrakennetta tai materiaalia ja ehkäistä ongelmat helposti ja nopeasti”, hän sanoo ja jatkaa: ”Tämä ei välttämättä aina riitä, ja silloin me ehdottaisimme vaativampaa ratkaisua. Siitä huolimatta on parempi, että olemme projektissa mukana aikaisin, koska levyn uudelleenrakentaminen ja -testaaminen voi olla kallista ja aikaa vievää. NCAB korostaa aina, että tehdään oikein alusta alkaen. Lämmönhallinnan yhteydessä se on vieläkin tärkeämpää, koska tällaisten levyjen valmistaminen on kalliimpaa. Kun valitaan oikea vaihtoehto alusta alkaen, säästyy paljon aikaa, vaivaa ja rahaa.”
Miten lämpöä voi hallita paljaiden levyjen tasolla?
Hukkalämpöä voi hallita paljaiden levyjen tasolla useilla eri tavoilla. Kysyimme asiasta Jeffrey Beauchampilta ja Mario Cianfriglialta.
Milloin tarvitaan erityisratkaisuja lämmönhallintaan paljaan levyn tasolla eikä vain kokoonpanon tasolla?
Jeffrey Beauchamp (JB): ”Kokoonpanon tasolla lämpö johdetaan kokoonpanosta ilmaan lämpöputkilla tai jäähdytyselementeillä, tarvittaessa jonkinlaisella ilmankiertoon perustuvalla jäähdytyksellä tai nestejäähdytyksellä. Jos se ei poista lämpöongelmaa, on etsittävä ratkaisuja levyn rakenteen tasolla. Kokoonpanon taso ja paljaan levyn taso kulkevat käsi kädessä. Kokoonpanon tasolla lämpö otetaan kokoonpanosta ja johdetaan ilmakehään, kun taas paljaan levyn tasolla lämpö siirretään levyn läpi pinnalle, josta kokoonpanon jäähdytys poistaa sen.”
Miten hukkalämpöä voi hallita paljaiden levyjen tasolla?
Mario Cianfriglia (MC): ”Jos projektia johdetaan oikein, jo suunnitteluvaiheessa olisi harkittava, miten komponentit tulisi sijoittaa levylle ja millaisia johdinleveyksiä tulisi käyttää. Lisäksi on tärkeää varmistaa, että kuparin paksuus on riittävä, jotta vältetään lämmön kertyminen yli määritettyjen toleranssitasojen. Suunnittelijoiden on rekisteröitävä kaikki tiedot kokoonpanon komponenteista ja käytettävistä materiaaleista. Voidakseen määrittää rakenteelle sopivimman materiaalin Tg-arvon eli lasittumislämpötilan ja Td-arvon eli hajoamislämpötilan suhteen heidän on myös tiedettävä, millaisissa lämpötiloissa piirilevyn odotetaan toimivan. Piirilevyn lämpötila ei saa koskaan nousta lähellekään lämpötilaa, jossa materiaalit hajoaisivat ja aiheuttaisivat levyn ennenaikaisen pettämisen.”
JB: ”Hukkalämmön siirtämiseen on käytettävissä joitakin keinoja levyn tasolla. Niistä yksinkertaisin on piirilevyn liimaaminen alumiinilevyyn. Niitä käytetään matalan teknologian piirilevyissä, jotka ovat rakenteeltaan kaikkein yksinkertaisimpia. Yhdessä lämpöä johtavan prepreg-komposiittimateriaalin kanssa saadaan alkeellinen lämmönhallinta. Seuraava askel on eristetty metallipohja, niin sanottu IMS-piirilevy, joita käytetään paljon teollisuuden valaistusratkaisuissa. Tyypillisesti sitä käytetään vain yksikerroksisissa levyissä. Metallinen, yleensä alumiininen pohjalevy peitetään ohuella prepreg- tai hartsikerroksella ja sitten kuparikalvolla. IMS-tekniikkaa voidaan käyttää myös kaksikerroksisissa levyissä, ja jopa neljään kerrokseen asti, vaikka se tekee rakenteesta monimutkaisemman. Joissakin korkeampitasoisissa autojen ajovaloissa on yksikerroksinen metalli-flex-IMS, joka on taivutettu muotoonsa.”
”Piirilevyn lämpötila ei saa koskaan nousta lähellekään lämpötilaa, jossa materiaalit hajoaisivat ja aiheuttaisivat levyn ennenaikaisen pettämisen.”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
MC: Seuraava IMS-tekniikkaa vaativampi lämmönhallinnan taso on ns. reikäfarmi (via farm). Tässä siirrytään huomattavasti monimutkaisemmalle alueelle etenkin valmistukseen vaadittavien prosessien suhteen. Periaatteessa siinä hyödynnetään kaikkea mahdollista teknologiaa, jotta reiät johtaisivat lämpöä paremmin. Reikien seinämiin tehdään paksu kuparointi, sitten reiät täytetään lämpöä johtavilla ja johtamattomilla hartseilla ja lopuksi reiän pinta peitetään kuparilla. Tarkoituksena on muodostaa reikien avulla kattava jäähdytyspinta, joka pystyy siirtämään suuria määriä lämpöenergiaa. Suunnittelijan on pidettävä mielessä kaikki piirilevyn toimintaparametrit ja ymmärrettävä, mihin tietyt komponentit täytyy sijoittaa.
JB:”Kuparin lämmönjohtavuudelle vetää vertoja vain timantti. Voidaan siis hyvin sanoa, että se on ihanteellinen materiaali lämmön siirtämiseen. Reikäfarmi tarkoittaa, että luomme ikään kuin useampia reittejä, joiden kautta lämpö voidaan johtaa pois.”
Sign up to our newsletter
Subscribe to our InFocus newsletter to receive news about the world of PCBs. The newsletter is published three times a year.
MC: Edistynein lämmönhallintaratkaisu on ns. kuparisten ”kolikkojen” (coin) käyttö. Menetelmä koostuu kuparilaatoista, joiden mitat ja geometriat on ennalta määritetty – ne ovat lieriön tai kuution mallisia ja korkeudet ovat erilaisia. Ne ovat usein T:n mallisia, jotta mahdollisimman paljon lämpöä siirtyisi levyn vastakkaiselle puolelle. Teknologiaa käytetään aktiivisten komponenttien, kuten QFD:n (Quad-edged Flat Package), jäähdyttämiseen. Komponentin mahdollisimman hyvää jäähdytystä varten kuparilaatat asetetaan suoraan komponentin alle eri tekniikoilla. Ne voidaan kiinnittää pintaan tai onteloihin, integroida piirilevyn sisään monikerroslevyn prässäysprosessin aikana tai puristussovittaa paikalleen.”
JB: ”Ns. kuparikolikkomenetelmää pitäisi harkita, kun muut vaihtoehdot eivät ole auttaneet. Meille tulee joskus tätä teknologiaa koskevia kysymyksiä asiakkailta, joiden levyjen testauksessa on ilmennyt lämmönhallintaongelmia. He eivät ole useinkaan tienneet, kuinka monimutkaista ja kallista tällaisen ratkaisun käyttö valmiissa rakenteessa voi olla. Se kuulostaa helpolta: asennetaan kuparilaatta, joka saa lämmön hajaantumaan. Mutta sen vaatimat rakenteelliset muutokset voivat olla valtavia. Ongelmiin on yleensä yksinkertaisempi ratkaisu. Hyttysen tappamiseen ei tarvita sinkoa; siihen on yksinkertaisempia työkaluja.”
”Ns. kuparikolikkotekniikkaa pitäisi harkita, kun muut vaihtoehdot eivät ole auttaneet.”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Mitkä ovat eri lämmönhallintamenetelmien edut ja haitat?
MC: ”Loppujen lopuksi käyttötarkoitus määrää, mikä ratkaisu lämpöongelmien hallintaan valitaan. Useimmissa tapauksissa valinta perustuu todennäköisesti kustannuksiin, jotka riippuvat siitä, miten kehittynyttä kyseinen teknologia on.”
JB: ”Kuparikolikkomenetelmän etuna on sen erinomainen lämmönjohtavuus. Komponentti kiinnitetään suoraan kupariin ja jäähdytyselementtiin. Mutta kuten jo aikaisemmin mainitsin, sen haittoja ovat korkeat kustannukset ja suuri kompleksisuus. Menetelmä asettaa suuria vaatimuksia rakenteelle, ja vain rajallinen määrä tehtaita pystyy valmistamaan tällaisia levyjä.”
”Siihen verrattuna reikäfarmimenetelmän pystyy toteuttamaan lähes mikä tahansa tehdas; se vaatii vain läpivientien poraamista. Valmistuskustannukset ovat siten suhteellisen alhaiset. Se ei myöskään edellytä valtavia muutoksia itse rakenteeseen. Menetelmässä tehdään lisää läpivientejä, mikä itsessään rajoittaa käytettävissä olevaa pintaa, johon elementtejä voi reitittää. Se on silti helpommin valmistettava ratkaisu kuin kuparikolikkomenetelmä. Reikäfarmin haittapuolena on se, että metalloinnissa täytyy käyttää enemmän kuparia, mikä nykyisillä hinnoilla vaikuttaa merkittävästi kustannuksiin. Vaihtoehtona voi käyttää lämpöä johtavia epoksihartseja, mutta myös ne ovat suhteellisen kalliita eikä niiden lämmönjohtavuus ole samalla tasolla. ”
”Kuparikolikkotekniikan ja reikäfarmien mahdollinen haitta on niin hyvä lämmönjohtavuus, että itse kokoonpanoprosessi voi olla vaikeaa levyjen kokoajalle. Kun keskustelemme piirilevyn suunnittelijoiden kanssa, suosittelemme heitä aina ottamaan yhteyttä myös käyttämäänsä sopimusvalmistajaan tai kokoonpanotehtaaseen. ”
”IMS:n etuna on sen yksinkertaisuus, tehokkuus ja kohtuullinen valmistettavuus. Haittana on se, että IMS-tekniikka rajoittaa dramaattisesti levyllä olevien kerrosten lukumäärää. Yksikerroksinen IMS on hyvin yleinen. Kaksikerroksinen IMS ei ole kovinkaan yleinen ja rakennetyylit ovat jossain määrin rajoitettuja. Kolmikerroksinen IMS on hyvin harvinainen. NCAB:lle jopa nelikerroksinen IMS on mahdollinen, mutta se ei ole helppoa. Se on silti edullisempi kuin esimerkiksi kuparikolikkotekniikkaa hyödyntävä levy, mutta asettaa hyvin spesifisiä vaatimuksia stackupille, liitäntäkerroksille jne.”
”Voimme tukea lämmönhallinnan koko kirjoa IMS-tekniikasta ja reikäfarmeista kuparikolikkotekniikkaan käytännössä katsoen kaikkialla, missä olemme maantieteellisesti edustettuina.”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Mitä NCAB voi tarjota lämmönhallinnassa?
MC: ”Me voimme tukea asiakkaita kaikilla niillä teknologioilla, joissa on otettava huomioon useita eri parametreja. Koska meillä on laaja kokemus rakenteista, voimme suositella sopivimmat vaihtoehdot tiettyihin käyttösovelluksiin. Meillä on myös tehtaita, jotka osaavat valmistaa näitä tuotteita. Mitä aikaisemmin voimme osallistua projektiin, sitä paremmin voimme auttaa asiakkaita löytämään parhaan mahdollisen ratkaisun.”
JB: ”Voimme tukea lämmönhallinnan koko kirjoa IMS-tekniikasta ja reikäfarmeista aina kuparikolikkotekniikkaan käytännössä katsoen kaikkialla, missä olemme maantieteellisesti edustettuina. Voimme auttaa kaikissa vaiheissa prototyypeistä volyymituotantoon. Lämmönhallinta on alue, jolla asiakkaat voivat hyötyä huomattavasti asiantuntemuksestamme erityisesti erikoisratkaisujen kysynnän kasvaessa. Epäilen, että kenelläkään muulla ei ole yhtä syvällistä tietoa kaikista mahdollisuuksista, koska me työskentelemme näiden asioiden parissa joka ikinen päivä.”
Piirilevyjen lämmönhallinnan kolme päämenetelmää
- IMS (Insulated Metal Substrate): metallipohjaiset – yleensä alumiinipohjaiset – piirilevyt, joissa kuparikalvo on liimattu erityiseen lämpöä johtavaan prepreg-kerrokseen tai hartsiin.
- Reikäfarmi: piirilevyissä on useampia läpivientejä ja enemmän kuparia tai lämpöä johtavaa epoksihartsia lämmön siirtämistä varten.
- CKuparikolikkomenetelmä: levyissä on ylimääräisiä kuparielementtejä, jotka on liimattu tiettyihin komponentteihin ja siirtävät lämmön suoraan pois komponentista.