No 1 2021
Hoe wordt er omgegaan met thermische aspecten op printplaat niveau?
MORE ARTICLES ON THIS TOPIC:
Er is een groeiende behoefte aan speciale oplossingen voor het afvoeren van overtollige warmte in elektronische producten. Door snelle technologische ontwikkelingen zijn de eisen toegenomen, vooral wat printplaten betreft. In dit nummer beschrijven de experts van NCAB naast ontwikkelingen op dit gebied ook de beschikbare methoden voor thermisch beheer.
In moderne elektronische systemen, en met name bij vermogenstoepassingen, moeten we ons altijd concentreren op twee hoofdaspecten: efficiëntie en thermisch beheer. De efficiëntie bepaalt hoeveel vermogen je daadwerkelijk zonder verlies overbrengt. En het thermisch beheer moet ervoor zorgen dat de componenten in het systeem kunnen werken terwijl de temperatuur op een aanvaardbaar niveau blijft. Het begrip thermisch beheer verwijst daarbij in essentie naar de methoden om overtollige warmte van de ene plaats over te brengen naar een andere. Traditioneel gebeurde dit door een extern koelplaat (heatsink) aan te brengen op een component dat overtollige warmte genereerd. Maar wat als de printplaat zelf warmte produceert? Of wat als het component het mechanisch niet toelaat om er een koelplaat op te bevestigen?
Vermogen dat niet correct wordt afgevoerd, wordt hoe dan ook omgezet in thermische energie. Deze thermische energie moet worden afgevoerd om de temperatuur in het apparaat niet te laten oplopen. Bij onvoldoende afvoer kunnen de componenten beschadigd raken, of treedt in ieder geval een verkorting van hun levensduur op.
In het geval van elektronische componenten en printplaten, is het doel om overtollige warmte van het component af te voeren, binnen of over de printplaat. Soms doen we dit in combinatie met actieve oplossingen zoals ventilatie via een externe koelplaat, of door middel van waterkoeling.
“Je moet creatief zijn en nieuwe manieren vinden om de overtollige warmte af te voeren of om te leiden.”
Jeffrey Beauchamp
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Innovatie verhoogt de behoefte aan thermisch beheer
In de afgelopen jaren is de behoefte aan oplossingen voor thermisch beheer in elektronische systemen gestaag gegroeid. Jeffrey Beauchamp, Technical Manager bij NCAB Group in de VS, en Mario Cianfriglia, Field Application Engineer bij NCAB Group Italië, leggen uit hoe deze behoefte is ontstaan door technische innovaties in de industrie.
“Een van de belangrijkste actuele trends in de productie van elektronica is miniaturisering, met steeds kleinere producten en componenten en ook steeds compactere printplaten. Hierdoor wordt het steeds moeilijker om traditionele oplossingen zoals een koelplaat toe te passen, omdat die te veel ruimte in beslag nemen. Je moet dus creatief zijn en nieuwe manieren vinden om overtollige warmte af te voeren of om te leiden”, legt Jeffrey Beauchamp uit.
Een andere nieuwe factor waarmee ontwerpers te maken krijgen, is het beheersen van de hogere temperaturen die ontstaan door nieuwe componenten die meer functies uitvoeren en met hogere snelheden rekenen. Hoe hoger de berekeningssnelheid, hoe heter de componenten worden.
“In de regel móéten onze printplaten wel geminiaturiseerd worden, om gebruik te kunnen maken van alsmaar kleinere elektronische componenten waarvan het aantal verbindingen per vierkante centimeter (cm2) is toegenomen. Dit alles om plaats te bieden aan de nieuwste generatie BGA-componenten met een pitch van 0,4 mm of kleiner, die digitale signalen en vermogenssignalen verwerken”, zegt Mario Cianfriglia.
“In de regel móéten onze printplaten wel geminiaturiseerd worden, om gebruik te kunnen maken van alsmaar kleinere elektronische componenten.”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
Thermisch beheer van toepassingen, een uitdagende opdracht
Mario Cianfriglia benadrukt ook dat ontwerpers voor nieuwe uitdagingen staan omdat elektronische componenten in steeds meer toepassingen worden opgenomen.
“In sommige gevallen kan het thermisch beheer extreem veeleisend zijn, bijvoorbeeld in de energiesector, bij industriële toepassingen of in de automotive industrie, zeker wanneer het gaat om elektrische voertuigen. Hetzelfde geldt voor meer complexe toepassingen zoals telecommunicatie- of radarsystemen”, vertelt hij. Met de huidige implementatie van 5G, de vijfde generatie van mobiele communicatie, bevatten elektronische producten een toenemend aantal componenten die nog hogere snelheden halen en meer overtollige warmte genereren. Tegelijkertijd is het behouden van de signaalintegriteit in 5G-toepassingen absoluut essentieel.
“Printplaten kunnen momenteel signalen van 3 tot 5 GHz verwerken, maar met de volledige functionaliteit van 5G zouden ze signalen van ongeveer 25 GHz of meer (moeten) verwerken.”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
“Dit is de uiterste grens van de technologie, waar signaalintegriteit essentieel is. Printplaten kunnen momenteel signalen van 3 tot 5 GHz verwerken, maar met de volledige functionaliteit van 5G zoudenze signalen van ongeveer 25 GHz en meer (moeten) verwerken. Om de signaalintegriteit onder alle operationele omstandigheden te waarborgen, is het dus van groot belang dat we over het juiste thermisch beheer beschikken. Printplaten met hoog frequente signalen moeten worden ontworpen met een geschikte stack-up, speciale materialen en routing van sporen en de grondvlakken, voeding én signaal”, zegt Mario Cianfriglia.
“De vraag naar thermisch beheer begint nog maar net toe te nemen en ik denk dat dat nog wel even zo zal blijven. Hopelijk komen daar nieuwe, meer geavanceerde mogelijkheden bij om de warmteproblemen op te lossen,” zegt Jeffrey Beauchamp.
Analyseprogramma’s voorkomen problemen
Bij de productontwikkeling worden diverse technieken voor het identificeren van potentiële warmteproblemen ingezet. Zo zijn er bijvoorbeeld speciale softwarepakketten om het te simuleren. Het is namelijk van belang dat alles al in de ontwerpfase correct berekend wordt. Hiervoor moet je de specificaties van de componenten kennen, weten hoe groot de track en gap moeten zijn om de nodige signaalsnelheden en vermogens te ondersteunen en de geschikte koperdikte en het basismateriaal kiezen.
“Er zijn ook softwarepakketten voor het simuleren van het thermische beheer voor een preventieve analyse, waarbij alles al op ontwerpniveau kan worden gesimuleerd. Het is noodzakelijk om de behoeften van de componenten te kennen, de track- en gapafmetingen i.c.m. de vereiste hoogfrequente signalen en vermogens, en het selecteren van de juiste koperdikte en het basismateriaal. Visuele inspectie, zichtbare tekenen van schade, is voornamelijk zinvol op eenvoudige printplaten, die alleen voor hoog vermogen bestemd zijn. De opwarming van de PCB tast na verloop van tijd het basislaminaat aan en leidt tot carbonisatie van de epoxy, waardoor al in het eerste stadium een verkleuring te zien is op de plaats waar warmte wordt afgevoerd.
Het is mogelijk om de werking van de PCBA te simuleren, en met infraroodcamera’s te controleren waar de temperatuur hoger is dan toegestaan. Op het moment van controleren is er geen weg meer terug. Dit is slechts een geschikte situatie om een afwijking vast te stellen. Daarom raden wij aan om ons altijd vanaf de eerste fase bij het project te betrekken, wanneer de leverancier nog suggesties kan doen en je ontwerper op die manier ook uitstekend werk kan leveren”, zegt Mario Cianfriglia
Hierdoor ontstaat de behoefte aan goed thermisch management
- Door miniaturisatie worden kleinere en meerdere componenten op een compactere printplaat geassembleerd.
- Elektronische componenten worden in steeds meer toepassingen opgenomen.
- De componenten worden sneller, waardoor ze meer warmte ontwikkelen.
- Nieuwe technologie leidt tot hogere signaalfrequenties en een groter vermogen, waardoor ook meer warmte ontstaat.
- Signaalintegriteit is belangrijker bij o.a. 5G, waardoor warmtebeheer nog gevoeliger wordt.
Schakel zo vroeg mogelijk specialisten in
“Intelligente ontwerpers voeren thermische simulaties uit voordat ze hun printplaten laten produceren, en weten al min of meer wat ze mogen verwachten. Veel bedrijven hebben echter geen ervaring met complexe thermische berekeningen of de vereiste software. Ze passen gewoon de best vuistregels toe en stellen pas vragen wanneer het probleem zich voordoet. Dan wenden ze zich soms tot ons nadat ze tests hebben uitgevoerd en thermische problemen hebben ontdekt”, vertelt Jeffrey Beauchamp.
Hij raadt bedrijven aan om al in een vroeg stadium specialisten zoals NCAB bij het ontwerp te betrekken.
“Door vanaf het begin het juiste alternatief te kiezen, zal je veel tijd, moeite en geld besparen.”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
“We kunnen dan eventueel een alternatieve stack-up of ander materiaal voorstellen om zo eenvoudig en snel problemen te vermijden”, zegt Jeffrey, en hij vervolgt: “Soms is dat niet genoeg en moeten we een complexere oplossing aanreiken. Toch is het beter om er ons vroeg bij te halen, want een printplaat opnieuw bouwen en testen, kan tijdrovend én een dure aangelegenheid zijn. Bij NCAB willen we graag dat alles meteen goed zit, maar dat is nóg belangrijker als het gaat om warmtebeheer, omdat het produceren van dit soort platen duurder is. Door vanaf het begin het juiste alternatief te kiezen, zal je veel tijd, moeite en geld besparen.”
Hoe wordt er omgegaan met thermische aspecten op printplaat niveau?
Er zijn verschillende manieren om met de thermische aspecten om te gaan op de PCB. We stellen Jeffrey Beauchamp en Mario Cianfriglia enkele vragen.
Wanneer moet er gekeken worden naar speciale oplossingen voor thermisch beheer op de kale PCB, en niet alleen tijdens de volledig geassembleerde PCB?
Jeffrey Beauchamp (JB): “Bij de volledig geassembleerde PCB wordt de warmte van de printplaat afgevoerd via koelplaten, zo nodig met een ventilatiekoeling of koelvloeistof. Als dat het warmteprobleem niet oplost, moet er worden gekeken naar oplossingen op het niveau op de kale printplaat. De kale en geassembleerde PCB gaan hand in hand. Dit komt doordat de omgeving en de koelplaten niet alleen de componenten maar ook de kale printplaat koelen.”
Hoe ga je om met de thermische aspecten op de printplaat?
Mario Cianfriglia (MC): “In een goed ontworpen PCB moet in de ontwerpfase reeds rekening zijn gehouden met de plaats van de componenten op de printplaat en de afmetingen van de sporen. Het is ook belangrijk om ervoor te zorgen dat het koper dik genoeg is, om te voorkomen dat de PCB te warm wordt. Ontwerpers moeten alle gegevens bijhouden over de componenten op de printplaat en de gebruikte basismaterialen. Zij moeten ook weten bij welke temperatuur de printplaat moet functioneren, om te bepalen wat het meest geschikte materiaal is in termen van Tg, de glasovergangstemperatuur, en Td, de ontbindingstemperatuur. De printplaat mag nooit in de buurt komen van de temperaturen waarbij de materialen zouden ontbinden en waarbij de printplaat defect raakt.”
JB: “Op de PCB zijn er een aantal manieren om de warmte af te voeren. De eenvoudigste is om de printplaat op een aluminium plaat te plakken. We zien dat op low-tech PCBs, de eenvoudigste soort PCB’s. In combinatie met een thermische prepreg laag krijg je een zeer simpele manier van warmteafvoer . De volgende stap is een insulated metal base, de zogenaamde IMS-printplaat, die we vaak zien bij industriële verlichting. Gewoonlijk wordt die gebruikt bij printplaten met slechts één laag. Hierbij wordt een metalen grondplaat, gewoonlijk aluminium, bedekt met een dunne laag prepreg of hars en daarop koperfolie. IMS kan ook worden gebruikt in printplaten met twee tot vier lagen, hoewel het ontwerp hiervan complexer is. Sommige van de betere koplampen voor auto’s worden gemaakt met een eenlaags IMS van metal-flex die in vorm wordt gebogen.”
“De printplaat mag nooit in de buurt komen van de temperaturen waarbij de materialen zouden ontbinden en waarbij de printplaat defect raakt.”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
MC: “De volgende stap van thermisch beheer, na IMS, is een via farm. Hiermee begeven we ons op een veel complexer terrein, zeker wat de productieprocessen van deze onderdelen betreft. Hierbij worden alle mogelijke technologieën ingezet om de thermische geleidbaarheid van de gaten te verhogen door middel van zeer dikke koperafzettingen op de gatwand. Vervolgens worden de gaten gevuld met geleidende en niet-geleidende resins, waarna het volledige oppervlak wordt afgedekt met koper. Op die manier ontstaat er een volledig oppervlak van koper met afgedekte gaten die samen grote hoeveelheden warmte kunnen afvoeren. De ontwerper moet hierbij aan alle operationele vereisten van het onderdeel denken en dient ook te begrijpen waar bepaalde componenten moeten komen.”
JB:“Koper, is na diamant, het meest thermisch geleidend materiaal. We kunnen dus met zekerheid zeggen dat het optimaal is om warmte te verplaatsen.. Met via farm creëren we bij wijze van spreken bredere ontsnappingsroutes voor warmte.”
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief
Schrijf u in op onze InFocus nieuwsbrief om informatie en inzichten te ontvangen over de wereld van PCB’s. De nieuwsbrief verschijnt drie keer per jaar.
MC: “Tot slot, een methode die bekend staat als copper coin, is de meest geavanceerde oplossing voor het afvoeren van warmte. Deze bestaat uit koperelementen met vooraf bepaalde afmetingen die ook nog eens in hoogte variëren. Ze zijn vaak T-vormig om zoveel mogelijk warmte naar de andere kant van de plaat te transporteren. Deze technologie wordt gebruikt voor het koelen van actieve componenten zoals QFD (Quad-edged Flat Package). Om de component zoveel mogelijk af te koelen, wordt er via diverse technieken een copper coin onder geplaatst. Die kan op het oppervlak of in uitsparingen worden aangebracht, in de printplaat worden geïntegreerd tijdens het drukken van de verschillende lagen of worden geperst.”
JB: “Copper coin valt te overwegen wanneer andere alternatieven onvoldoende zijn gebleken. We krijgen soms vragen over deze technologie van klanten die thermische problemen ontdekken wanneer ze hun printplaten testen. Zij beseffen vaak niet hoe ingewikkeld en duur het kan zijn om dit soort oplossingen in een bestaande constructie aan te brengen. Het klinkt eenvoudig, een stuk massief koper in de PCB te plaatsen om warmte af te voeren, maar de nodige structurele veranderingen kunnen vrij extreem zijn. De problemen zijn vaak eenvoudiger op te lossen. Je hebt geen bazooka nodig om een mug te doden; daar bestaan eenvoudigere middelen voor.”
“Copper coin valt te overwegen wanneer andere alternatieven onvoldoende zijn gebleken.”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Welke voor- en nadelen hebben de verschillende methoden voor het afvoeren van warmte?
MC: “Welke oplossing je kiest om de thermische problemen op te lossen, hangt uiteindelijk van de toepassing af. Bij die keuze speelt de kostprijs doorgaans een hoofdrol en die heeft dan weer te maken met de complexiteit van de betrokken technologie.”
JB: “Het voordeel van een copper coin is dat je een uitstekende thermische geleidbaarheid krijgt. Je component wordt rechtstreeks aan het koper en het koellichaam gehecht. Maar zoals ik al heb vermeld, zijn er grote nadelen in de vorm van hoge kosten en complexiteit. Deze methode stelt hoge eisen aan het ontwerp en slechts een beperkt aantal fabrieken is in staat om dergelijke printplaten te produceren.
Daartegenover staat via farm, met als voordeel dat bijna elke fabriek ermee overweg kan; je hoeft alleen maar via’s te boren. De productiekosten zijn dus relatief laag. En enorme ingrepen in de constructie zijn er evenmin. Je voegt meer via’s toe, wat natuurlijk de ruimte en routingmogelijkheden op het beschikbare oppervlak beperkt, maar deze oplossing is toch eenvoudiger te produceren dan copper coin. Een nadeel van via farm is dat beplating meer koper vergt, wat met de huidige prijsstijgingen een aanzienlijke invloed heeft op de kosten. Als alternatief kun je warmtegeleidende epoxyharsen gebruiken, maar ook dat is relatief duur. Bovendien is de geleidbaarheid relatief lager.
Copper coin en via farm hebben verder als mogelijk nadeel dat de warmteoverdracht zo goed verloopt, dat die de assemblage zowaar kan bemoeilijken. In onze gesprekken met ontwerpers bevelen wij altijd aan om ook contact op te nemen met de gecontracteerde fabrikant of assemblagefirma.
IMS heeft als voordeel dat het eenvoudig, efficiënt en redelijk maakbaar is. Nadeel is een drastische beperking van het mogelijke aantal lagen. Eenlaags IMS komt veel voor. Een tweelaags IMS minder; de ontwerpstijlen zijn enigszins beperkt. En een drielaags IMS is zeer ongewoon. NCAB ondersteunt tot vier lagen, maar dat is niet bepaald eenvoudig. Het is minder duur dan een printplaat met copper coin bijvoorbeeld, maar stelt wel heel specifieke eisen aan de stack-up, aan de interconnectielagen enzovoort.”
“We ondersteunen het spectrum van thermisch management, van IMS en via farm tot copper coin, vrijwel overal waar we geografisch gevestigd zijn.”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Wat heeft NCAB te bieden op dit gebied?
MC: “Wij kunnen onze klanten ondersteunen bij alle technologieën waarbij veel parameters betrokken zijn. Door onze uitgebreide ontwerpervaring kunnen wij de meest geschikte keuzes voor een specifieke toepassing aanbevelen. We hebben ook fabrieken die deze producten kunnen maken. Hoe vroeger we bij een project betrokken worden, hoe beter we klanten kunnen helpen bij het vinden van de best mogelijke oplossing.”
JB: We ondersteunen het spectrum van thermisch beheer, van IMS en via farm tot copper coin, vrijwel overal waar we geografisch gevestigd zijn. We kunnen helpen met alles van prototypes tot volumeproductie. Warmtebeheer is een domein waar klanten enorm kunnen profiteren van onze expertise, in het bijzonder vanwege de groeiende vraag naar speciale oplossingen. Ik betwijfel of iemand anders dezelfde gedegen kennis heeft van wat mogelijk is, want wij werken elke dag weer aan deze vraagstukken.”
Drie hoofdmethoden voor het afvoeren van warmte in printplaten
- IMS (Insulated Metal Substrate) , waar de printplaat wordt opgebouwd boven een metalen plaat – gewoonlijk van aluminium – en koperfolie aan een speciale warmtegeleidende prepreg of hars wordt gehecht.
- Via farm , waar gebruik wordt gemaakt van meer via-gaten, een grotere hoeveelheid koper of geleidende epoxyhars om warmte af te voeren.
- Copper coin , waar extra koperelementen aan specifieke componenten worden gehecht en de warmte rechtstreeks afvoeren.