Newsroom

Rośnie znaczenie zarządzania ciepłem w układach elektronicznych

Coraz bardziej potrzebne stają się specjalne rozwiązania do zarządzania nadmiarem ciepła w wyrobach elektronicznych. Gwałtowne zmiany techniczne spowodowały wzrost tych wymagań, zwłaszcza w odniesieniu do płytek drukowanych. W bieżącym numerze eksperci z firmy NCAB opisują zmiany w tej dziedzinie i dostępne metody w zakresie zarządzania ciepłem.

MORE ARTICLES ON THIS TOPIC:

W nowoczesnych układach elektronicznych, a zwłaszcza w zastosowaniach dla energetyki, zawsze musimy zwracać uwagę na dwa główne aspekty: sprawność i zarządzanie ciepłem.Sprawność określa, jaka ilość mocy jest faktycznie przesyłana bez strat.
Zarządzanie ciepłem ma na celu zapewnienie, żeby urządzenia w układzie mogły pracować, utrzymując dopuszczalny poziom temperatury. Zasadniczo, zarządzanie ciepłem odnosi się do przesłania nadmiaru ciepła z jednego miejsca w inne. Tradycyjnie uzyskiwało się to przez umieszczenie zewnętrznego radiatora nad konkretnym elementem, który wytwarzał nadmiar ciepła. Ale co, jeśli to sama płytka PCB wytwarzała ciepło? Albo jeśli zamocowanie radiatora na danym elemencie było niemożliwe z przyczyn mechanicznych?

Jeżeli prąd nie jest przesyłany prawidłowo, nieuchronnie zamienia się w energię cieplną.
Ta energia cieplna musi być odprowadzana, żeby nie powodowała wzrostu temperatury urządzeń. Jeśli odprowadzenie ciepła nie byłoby wystarczające, mogłoby prowadzić do uszkodzenia tych elementów, a w każdym razie do skrócenia ich trwałości.

W przypadku urządzeń elektronicznych i płytek drukowanych naszym celem jest odprowadzanie nadmiaru ciepła od elementu przez rozproszenie ciepła w płytce PCB lub przesłanie go na jej drugą stronę. Czasami robi się to w połączeniu z aktywnymi rozwiązaniami, takimi jak wentylacja przez zewnętrzny radiator lub chłodzenie cieczą.

„Trzeba wykazać się kreatywnością i znaleźć nowe rozwiązania umożliwiające rozproszenie lub przekierowanie nadmiaru ciepła”.

Jeffrey Beauchamp
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Innowacje zwiększają potrzebę zarządzania ciepłem

W ostatnich latach obserwujemy stały wzrost potrzeby rozwiązań zarządzania ciepłem w układach elektronicznych. Jeffrey Beauchamp, Kierownik ds. technicznych w NCAB Group USA oraz Mario Cianfriglia, Inżynier aplikacji w NCAB Group Włochy, wyjaśniają, jak innowacje techniczne w branży wymuszają tę potrzebę.

„Obecnie jednym z najważniejszych trendów w produkcji elektroniki jest miniaturyzacja, z coraz mniejszymi produktami i elementami oraz coraz bardziej kompaktowymi płytkami drukowanymi. To powoduje, że coraz trudniej jest stosować tradycyjne rozwiązania, takie jak radiatory, ponieważ zajmują one za dużo miejsca. Trzeba więc wykazać się kreatywnością i znaleźć nowe rozwiązania umożliwiające rozproszenie lub przekierowanie nadmiaru ciepła” – wyjaśnia Jeffrey Beauchamp.

Kolejnym nowym czynnikiem, z jakim mierzą się projektanci, to postępowanie z wyższymi temperaturami wytwarzanymi przez nowe elementy, które pełnią więcej funkcji i liczą z większymi prędkościami, ponieważ im większa prędkość obliczeniowa, tym gorętsze stają się elementy. „Zasadniczo, płytki drukowane muszą być miniaturyzowane w celu stosowania coraz mniejszych elementów elektronicznych, w których wzajemne połączenia rozwinęły się w kierunku większej jakości x centymetr kwadratowy (cm2). Ma to na celu zmieszczenie na płytce elementów BGA najnowszej generacji o podziałce 0,4 mm lub mniejszej, które obsługują sygnały cyfrowe i zasilania” – mówi Mario Cianfriglia.

„Zasadniczo, płytki drukowane muszą być miniaturyzowane w celu stosowania coraz mniejszych elementów elektronicznych”.

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

Zarządzanie ciepłem w zastosowaniach, ambitne zadanie

Mario Cianfriglia podkreśla również, że projektanci stoją teraz przed nowymi wyzwaniami, ponieważ elektronika jest stosowana w coraz większej liczbie zastosowań.

„W pewnych przypadkach zarządzanie ciepłem może być niezmiernie wymagające, na przykład w energetyce, zastosowaniach przemysłowych lub w motoryzacji, zwłaszcza w przypadku pojazdów elektrycznych. To samo dotyczy bardziej złożonych zastosowań, takich jak łączność czy systemy radarowe” – mówi. W miarę wdrażania 5G, piątej generacji łączności mobilnej, wyroby elektroniczne będą miały coraz więcej elementów, pracujących z jeszcze większymi prędkościami i wytwarzających więcej nadmiernego ciepła. Jednocześnie zapewnienie integralności sygnałów w zastosowaniach 5G będzie absolutnie kluczowe.

„Płytki PCB obecnie są zdolne do obsługi sygnałów o częstotliwości od 3 do 5 GHz, ale przy pełnej funkcjonalności 5G będą (musiały) obsługiwać sygnały o częstotliwości ok. 25 GHz i więcej”.

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

„To jest ostatnia granica techniki, gdzie integralność sygnałów ma zasadnicze znaczenie. Płytki PCB są obecnie zdolne do obsługi sygnałów o częstotliwości od 3 do 5 GHz, ale przy pełnej funkcjonalności 5G będą (musiały) obsługiwać sygnały o częstotliwości ok. 25 GHz i więcej. Aby zapewnić integralność sygnału we wszystkich warunkach pracy, bardzo ważne jest prawidłowe zarządzanie ciepłem. W projekcie płytek PCB z sygnałami wysokich częstotliwości konieczne jest uwzględnienie odpowiedniej budowy wszystkich warstw, specjalnych surowców, trasowania ścieżek i płaszczyzny uziemienia, zasilania i sygnału” – mówi Mario Cianfriglia.

„Właśnie zaczynamy zauważać wzrost zapotrzebowania na zarządzanie ciepłem i moim zdaniem ten wzrost prawdopodobnie się utrzyma. Mamy nadzieję, że wraz z tym pojawią się nowe, bardziej zaawansowane środki do opanowania tych problemów związanych z ciepłem” – mówi Jeffrey Beauchamp.

W niektórych przypadkach zarządzanie ciepłem może być niezwykle wymagające. Tak jest na przykład w sektorze energetycznym, zastosowaniach przemysłowych czy motoryzacji, zwłaszcza w przypadku pojazdów elektrycznych – mówi Mario Cianfriglia

Programy analityczne zapobiegają problemom

Przy opracowywaniu produktów stosowane są różne techniki identyfikacji potencjalnych problemów związanych z ciepłem. Do analiz prewencyjnych opracowano specjalne pakiety oprogramowania. Ważne jest, aby w projekcie płytek drukowanych wszystko było prawidłowo zwymiarowane już na etapie projektowania. Trzeba tu znać wymagania elementów, wielkość ścieżki i odstępu odpowiednio do tego, co będą musiały obsługiwać – pod względem prędkości sygnałów i mocy – i wybrać odpowiednią grubość miedzi i materiału bazowego.

Są również narzędzia do analizy termicznej. Do analizy prewencyjnej wykorzystuje się wiele pakietów oprogramowania umożliwiających zwymiarowanie wszystkiego na poziomie projektu. Konieczna jest znajomość potrzeb elementów, aby zwymiarować ścieżkę i odstęp stosownie do tego, co będą musiały obsługiwać pod względem szybkich sygnałów i mocy, aby dobrać odpowiednią masę lub grubość miedzi i surowiec laminatu.
Kontrola wzrokowa, ujawniająca widoczne oznaki uszkodzenia, ma sens w przypadku prostych płytek drukowanych, przeznaczonych tylko do zasilania. Na skutek nagrzewania z czasem laminat traci swoje właściwości i żywice ulegają karbonizacji, w pierwszym etapie można więc zaobserwować brązowienie obszaru, w którym rozwija się energia cieplna.
Możliwe jest symulowanie pracy obiektu PCBA i sprawdzenie za pomocą kamer na podczerwień, w jakich obszarach temperatura przekracza dopuszczalny zakres. Ale w tym momencie nie mamy już możliwości odwrócenia tego, jeśli zadanie zostało już zdefiniowane. W ten sposób można tylko zidentyfikować anomalię. Sugerujemy, żeby zawsze angażować nas w pierwszej fazie zadania, kiedy dostawca płytek drukowanych może podać sugestie i pomóc projektantowi wykonać doskonałą robotę” – mówi Mario Cianfriglia.

Czynniki wywołujące potrzebę zarządzania ciepłem

  • Miniaturyzacja, więcej mniejszych elementów na bardziej kompaktowych płytkach drukowanych.
  • Włączanie elektroniki w coraz większej liczbie zastosowań.
  • Szybsze elementy wydzielają więcej ciepła
  • Nowa technika skutkuje wyższymi częstotliwościami sygnałów i zasilaniem, które wydzielają więcej ciepła.
  • Integralność sygnałów staje się ważniejsza w przypadku 5G, co zwiększa wrażliwość na zarządzanie ciepłem.

Zaangażuj specjalistów na wczesnym etapie

„Naprawdę sprytni projektanci przeprowadzają symulacje cieplne przed zbudowaniem płytek i mają wyczucie, co mogliby zobaczyć. Ale w wielu firmach brakuje umiejętności wykonywania złożonych obliczeń termicznych lub nie ma wymaganego oprogramowania, więc tylko stosują najlepsze praktyki i zadają pytania dopiero w momencie pojawienia się problemu. Wtedy czasem zwracają się do nas po przeprowadzeniu testów i wykryciu problemów związanych z ciepłem” – mówi Jeffrey Beauchamp.

Konstrukcje o dużej mocy często wymagają zarządzania ciepłem. Zalecamy zaprojektowanie płytki zgodnie z naszymi wytycznymi projektowymi, aby zapewnić możliwość produkcji. Wytyczne projektowe dla płyt wielowarstwowych, HDI, Flex / Rigid Flex i Semi-Flex są dostępne do pobrania tutaj.

Zamiast tego zaleca angażowanie przez firmy specjalistów, takich jak z NCAB, na wczesnym etapie procesu projektowania.

„Wybór od razu właściwej alternatywy zaoszczędzi mnóstwo czasu, kłopotów i pieniędzy”.

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

„Możemy wtedy być w stanie zasugerować alternatywną budowę stosu warstw lub inny materiał, aby w prosty i szybki sposób uniknąć problemów” – mówi. Dodaje też: „To nie zawsze jest wystarczające i wtedy trzeba by wprowadzić bardziej złożone rozwiązanie. Ale ciągle lepiej jest zaangażować nas wcześnie, ponieważ budowa nowej płytki i powtórzenie prób może być zarówno czasochłonne, jak i kosztowne. W NCAB zawsze podkreślamy, że ważne jest, żeby od razu zrobić to dobrze, ale jeśli chodzi o zarządzanie ciepłem, to jest to jeszcze ważniejsze, ponieważ produkcja tych typów płytek jest droższa. Wybór od razu właściwej alternatywy zaoszczędzi mnóstwo czasu, kłopotów i pieniędzy”.

Jak postępuje się z nadmiarem ciepła na poziomie czystej płytki?

Jest kilka sposobów postępowania z nadmiarem ciepła na poziomie gołej płytki. Zadajemy kilka pytań na ten temat Jeffreyowi Beachampowi i Mariowi Cianfriglii.

Kiedy trzeba przyjrzeć się specjalnym rozwiązaniom zarządzania ciepłem na poziomie gołej płytki, a nie tylko na etapie montażu?

Jeffrey Beauchamp (JB): „Na etapie montażu ciepło jest odbierane i odprowadzane do atmosfery przez rurki cieplne lub radiatory, w razie potrzeby za pomocą jakiegoś rodzaju chłodzenia wentylacyjnego lub cieczą. Jeśli nie rozwiązuje to problemu z ciepłem, trzeba spojrzeć na rozwiązania na poziomie gołej płytki. Etap montażu i etap gołej płytki idą ramię w ramię. Ponieważ na poziomie montażu ciepło jest odbierane i odprowadzane do atmosfery, natomiast na poziomie gołej płytki ciepło jest odbierane i przenika przez płytkę do powierzchni, gdzie ulega rozproszeniu dzięki chłodzeniu na poziomie zespołu.

Zdjęcie przedstawia radiator zastosowany jako zewnętrzne pasywne rozwiązanie chłodzące. Ze względu na trend miniaturyzacji w produkcji elektroniki, z coraz mniejszymi produktami i komponentami, a także bardziej kompaktowymi płytkami drukowanymi, trudniej jest zastosować tego rodzaju tradycyjne rozwiązania chłodzenia

Jak postępuje się z nadmiarem ciepła na poziomie gołej płytki?

Mario Cianfriglia (MC): „We właściwie prowadzonym zadaniu, już w fazie projektowania powinno się uwzględnić rozmieszczenie elementów na płytce i wymiarowanie ścieżek. Ważne jest zadbanie o wystarczającą grubość miedzi, aby uniknąć akumulacji ciepła wykraczającej poza zadane poziomy tolerancji. Projektanci muszą śledzić wszystkie dane elementów w zespole i zastosowanych podstawowych materiałów. Muszą również wiedzieć, w jakiej temperaturze będzie musiała pracować dana płytka PCB, aby zidentyfikować najbardziej odpowiedni materiał pod względem Tg – temperatury zeszklenia i Td – temperatury rozkładu. Płytka drukowana nigdy nie może w żadnym miejscu zbliżyć do temperatur, w których materiały uległyby rozkładowi i spowodowałyby jej przedwczesne zniszczenie”.

JB: „Na poziomie płytki jest kilka sposobów odprowadzania nadmiaru ciepła. Najprostszym jest przyklejenie płytki PCB do blaszki aluminiowej. Widzimy to w przypadku mniej zaawansowanych technicznie płytek o najprostszej konstrukcji. W połączeniu z materiałem kompozytowym termicznego prepregu, otrzymuje się bardzo podstawowe zarządzanie ciepłem. Następnym etapem byłoby izolowane podłoże metalowe, tzw. IMS, co często spotykamy w oświetleniu przemysłowym. Zazwyczaj jest to stosowane w płytkach jednowarstwowych. Płytka bazowa z metalu, zwykle aluminium, jest pokryta tutaj cienką warstwą prepregu lub żywicy, a potem folią miedzianą. IMS może być również stosowane w płytkach dwuwarstwowych i w płytkach do czterech warstw, choć jest to bardziej złożone pod względem konstrukcyjnym. Niektóre reflektory samochodowe z wyższego poziomu są wykonywane z jedną warstwą IMS, która jest metalowo-elastyczna i wygięta na odpowiedni kształt”.

„Płytka drukowana nigdy nie może w żadnym miejscu zbliżyć do temperatur, w których materiały uległyby rozkładowi i spowodowałyby jej przedwczesne zniszczenie”.

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

MC: „Następny krok w zarządzaniu ciepłem, wychodzący poza IMS, to farma przelotek. Wchodzimy tu na bardziej złożony teren, z pewnością w przypadku procesów biorących udział w produkcji tych obiektów. Zasadniczo można zastosować wszystkie możliwe techniki, aby wykonać otwory o większej przewodności cieplnej z bardzo grubą warstwą miedzi osadzoną na ich ściankach, a potem wypełnić otwory przewodzącymi i nieprzewodzącymi żywicami, a na koniec zakryć powierzchnię otworu miedzią. To wszystko ma wytworzyć pole otworów zdolnych do transportu dużych ilości energii cieplnej. Projektant musi pamiętać o wszystkich parametrach roboczych tego obiektu i musi rozumieć, gdzie należy umieścić pewne elementy”.

JB: „Miedź jest drugim materiałem o największym przewodnictwie cieplnym po diamencie. Można więc spokojnie powiedzieć, że jest optymalnym materiałem dla przesyłania ciepła. Za pomocą farmy przelotek tworzymy, że tak powiem, więcej dróg odprowadzania ciepła”.

MC: „I wreszcie sposób znany jako miedziana moneta jest najbardziej zaawansowanym rozwiązaniem zarządzania ciepłem. Wykorzystuje się w nim elementy miedziane o wcześniej ustalonych wymiarach i geometriach – cylindryczne lub sześcienne i o różnej wysokości. Często mają kształt litery T, aby odprowadzać jak najwięcej ciepła do przeciwnej strony płytki. Ta technika jest stosowana do chłodzenia aktywnych elementów, takich jak QFD (Quad-edged Flat Package). Aby jak najbardziej ochłodzić element, miedziana moneta jest umieszczana pod jego spodem, za pomocą jednej z kilku różnych metod. Monety mogą być przymocowane do powierzchni, lub we wnękach, zintegrowane wewnątrz płytki PCB podczas procesu prasowania wielu warstw, lub wprasowywane”.

JB: „Miedziana moneta jest czymś, czemu należy się przyjrzeć, kiedy nie działają inne możliwości. Czasami dostajemy pytania o tę technikę od klientów, którzy mieli problemy z zarządzaniem ciepłem podczas testowania płytek. Ale często nie zdawali sobie sprawy, jak skomplikowane i drogie może być wprowadzenie tego typu rozwiązania do istniejącej konstrukcji. Wydaje się, że łatwo jest wstawić kawałek litej miedzi, co powoduje rozproszenie ciepła, ale niekiedy wiąże się to z wręcz ekstremalnymi zmianami konstrukcyjnymi . Często problemy te można rozwiązać prościej. Nie trzeba strzelać z armaty do komara, są do tego prostsze narzędzia”.

„Miedź jest drugim materiałem o największym przewodnictwie cieplnym po diamencie”.

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Jakie są zalety i wady różnych sposobów zarządzania ciepłem?

MC: „Ostatecznie to zastosowanie określa, jakie rozwiązania zostaną wybrane do rozwiązywania problemów z ciepłem. W większości przypadków tym, co zasadniczo dyktuje wybór, prawdopodobnie jest koszt, co z kolei jest związane z poziomem złożoności omawianej techniki”.

JB: „Ostatecznie to zastosowanie określa, jakie rozwiązania zostaną wybrane do rozwiązywania problemów z ciepłem. W większości przypadków tym, co zasadniczo dyktuje wybór, prawdopodobnie jest koszt, co z kolei jest związane z poziomem złożoności omawianej techniki”.

Z kolei farma przelotek ma tę zaletę, że prawie każda fabryka da sobie z tym radę – to tylko wiercenie przelotek. Koszt wytwarzania jest zatem stosunkowo niski. Nie potrzeba też dużych interwencji w konstrukcję. Dodaje się więcej przelotek, co samo w sobie ogranicza miejsce i możliwości trasowania na dostępnej powierzchni, ale ciągle jest to rozwiązanie łatwiejsze w produkcji niż miedziana moneta. Wadą farmy przelotek jest potrzeba użycia większej ilości miedzi do powlekania, co przy dzisiejszych wzrostach cen ma znaczny wpływ na koszt. Alternatywnie, można użyć przewodzących ciepło żywic epoksydowych, ale to również jest stosunkowo drogie i nie pozwala uzyskać takiej przewodności.

Zarówno miedziana moneta, jak i farma przelotek ma również potencjalną wadę, która polega na tym, że dają one tak dobre przenikanie ciepła, że montaż może być rzeczywiście trudny dla osoby składającej płytkę. Kiedy rozmawiamy z projektantem płytek PCB, zawsze zalecamy, żeby również skontaktowali się ze swoim kontraktowym producentem lub montażownią.

Zaletami IMS są prostota, wydajność i umiarkowana łatwość produkcji. Wadami to, że dramatycznie ograniczona jest liczba potencjalnych warstw. Jednowarstwowa płytka IMS jest bardzo często spotykana. Dwuwarstwowa IMS nieco rzadziej, style konstrukcji są nieco ograniczone. Trójwarstwowa płytka IMS jest bardzo rzadka. NCAB może obsługiwać do czterech warstw IMS, ale nie jest to łatwe. Jest to nadal tańsze niż, powiedzmy, płytka z miedzianą monetą, ale stawia bardzo konkretne wymogi odnośnie do budowy stosu warstw, warstw łączących itp”.

„Jesteśmy w stanie obsługiwać całe spektrum rozwiązań z zakresu zarządzania ciepłem, od IMS i farm przelotek po miedzianą monetę, praktycznie we wszystkich naszych lokalizacjach geograficznych”.

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Co NCAB może zaoferować w tej dziedzinie?

MC: „Możemy pomagać naszym klientom w przypadku wszystkich technik wymagających uwzględnienia wielu parametrów. Dzięki naszemu szerokiemu doświadczeniu w projektowaniu możemy zalecić najbardziej odpowiednie wybory dla określonego zastosowania. Mamy również fabryki będące w stanie wytwarzać te produkty. Im wcześniej zostaniemy zaangażowani w zadanie, tym lepsze mamy warunki pomocy klientom w znalezieniu najlepszego możliwego rozwiązania”.

JB: „Jesteśmy w stanie obsługiwać całe spektrum rozwiązań z zakresu zarządzania ciepłem, od IMS i farm przelotek po miedzianą monetę, praktycznie we wszystkich naszych lokalizacjach geograficznych. Oferujemy całą gamę usług, od prototypów do produkcji przemysłowej. Zarządzanie cieplne jest rzeczywiście obszarem, w którym klienci mogą znacznie skorzystać z naszego doświadczenia, zwłaszcza jeśli uwzględnić rosnące zapotrzebowanie na specjalne rozwiązania. Wątpię, żeby ktoś inny miał taką dogłębną wiedzę o tym, co jest możliwe, ponieważ my pracujemy z takimi problemami każdego dnia”.


Trzy główne sposoby zarządzania ciepłem w płytkach drukowanych.

  • IMS (Insulated Metal Substrate – izolowane podłoże metalowe) – gdzie płytka drukowana jest budowana z płytki metalowej – normalnie aluminium – gdzie folia miedziana jest wiązana ze specjalnym przewodzącym ciepło prepregiem lub żywicą.
  • Farma przelotek – gdzie stosuje się więcej przelotek i zwiększa ilość miedzi lub stosuje się przewodzącą żywicę epoksydową do rozproszenia ciepła.
  • Miedziana moneta – gdzie dodatkowe elementy miedziane są związane z określonymi elementami i bezpośrednio odprowadzają ciepło.