INFOCUS:

A topic from NCAB Group about integrated PCB Production

No 1 2021

Терморегулирование в электронных устройствах становится все более важным

MORE ARTICLES ON THIS TOPIC:

Спрос на специальные решения для рассеивания избыточного тепла в электронных изделиях возрастает. Стремительное развитие технологий привело к повышению требований, в частности к печатным платам. В этом выпуске «In Focus» эксперты NCAB рассказывают о разработках в этом направлении и имеющихся методах терморегулирования.

В современных электронных устройствах, особенно в силовой электронике, мы всегда должны обращать внимание на два важных фактора — эффективность (КПД) и терморегулирование.
КПД определяет, сколько энергии фактически передается без потерь.
Терморегулирование направлено на то, чтобы устройства в системе могли работать без перегрева. По сути, терморегулирование сводится к методам, применяемым для передачи избыточного тепла из одного места в другое. Традиционно данный процесс осуществлялся путем установки внешнего теплоотвода для конкретного компонента, выделяющего избыточное тепло. Но что, если тепло генерирует сама печатная плата? Или, если на вашем компоненте механически невозможно закрепить теплоотвод?

Из-за физических ограничений проводимости часть энергии тока неизбежно превращается в тепловую энергию. Эту тепловую энергию нужно отводить, чтобы она не приводила к повышению температуры устройства. Неэффективный теплоотвод может стать причиной выхода из строя компонентов или, как минимум, – к сокращению их срока службы.

В отношении электронных устройств и печатных плат наша цель состоит в отводе избыточного тепла из компонента за счет рассеивания или передачи тепла из одного слоя на другой. Иногда это дополняется активными решениями, такими как вентиляция через внешний теплоотвод или даже жидкостное охлаждение.

«Необходимо проявлять креативность и находить новые подходы для отвода или перенаправления избыточного тепла».

Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp)
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Инновации повышают потребность в терморегулировании

В последние годы мы наблюдаем непрерывное возрастание спроса на решения для терморегулирования в электронных системах. Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp), технический директор NCAB Group в США, и Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia), инженер технической поддержки NCAB Group в Италии, объясняют влияние технических инноваций в отрасли на формирование спроса.

«Одной из важнейших тенденций в современной сфере производства электроники является миниатюризация с использованием все меньших и меньших изделий и компонентов, а также более компактных печатных плат. В связи с этим использовать традиционные решения, такие как теплоотводы, становится все сложнее, поскольку они занимают слишком много места. Поэтому необходимо проявлять креативность и находить новые подходы для отвода или перенаправления избыточного тепла», – объясняет Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp).

Еще один новый фактор, с которым сталкиваются разработчики, — это более высокие температуры нагрева, до которых нагреваются современные компоненты, выполняющие больше функций, выполняющие вычисления на более высоких скоростях. Ведь чем выше скорость операций, тем сильнее нагреваются компоненты.

«По сути, требования миниатюризации печатных плат вызваны необходимостью использовать все более компактные электронные компоненты, для размещения которых необходима высокая плотность межсоединений. Все это делается для того, чтобы поместить на плате BGA-компоненты новейшего поколения с шагом 0,4 мм и менее, которые осуществляют управление цифровыми и силовыми сигналами», – говорит Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia).

«По сути, производители вынуждены изготавливать миниатюрные печатные платы, чтобы использовать все более компактные электронные компоненты».

Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia)
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

Терморегулирование в практическом применении непростая задача

Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia) также подчеркивает, что разработчики сталкиваются с новыми трудностями, поскольку электроника встраивается во все большее количество систем.

«В некоторых случаях терморегулирование может быть очень трудоемким, например, в сфере энергетики, в промышленности или в автомобилестроении, особенно в производстве электромобилей. То же самое касается других применений, например, телекоммуникационных или радиолокационных систем», – говорит он. С внедрением 5G, пятого поколения мобильной связи, электронные изделия будет включать все большее количество компонентов, работающих на еще более высоких скоростях и вырабатывающих еще больше избыточного тепла. В то же время, обеспечение целостности сигналов в устройствах 5G будет абсолютно необходимым.

«В настоящее время печатные платы позволяют обрабатывать сигналы от 3 до 5 ГГц, но при полной функциональности 5G они должны передавать сигналы частотой порядка 25 ГГц и выше».

Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia)
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

«Это новейший рубеж технологического развития, в котором целостность сигналов крайне важна. В настоящее время печатные платы позволяют обрабатывать сигналы от 3 до 5 ГГц, но при полной функциональности 5G они должны передавать сигналы частотой порядка 25 ГГц и выше. Для обеспечения целостности сигнала во всех условиях эксплуатации очень важно правильно выбрать способ терморегулирования. Печатные платы с высокочастотными сигналами должны проектироваться с применением соответствующих структур слоев, специальных материалов, с особой трассировкой сигнальных проводников и земляных шин», – говорит Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia).

«Мы только начинаем наблюдать повышение спроса на системы терморегулирования, и я полагаю, он будет продолжать расти. Надеюсь, что с ним появятся и новые, более совершенные методы решения проблем регулирования тепла», – говорит Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp).

В некоторых случаях управление теплом может быть чрезвычайно сложным. «Это, например, относится к энергетическому сектору, промышленным применениям или автомобильной промышленности, особенно когда речь идет об электромобилях», — говорит Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia).

Программы анализа предотвращают проблемы

При разработке изделий используются различные методики выявления потенциальных проблем терморегулирования. Для превентивного анализа было разработано специальное программное обеспечение. При проектировании печатных плат важно, чтобы уже на этапе расчета были подобраны правильные параметры. В данном случае необходимо знать требования к компонентам, размер проводника и зазора согласно требуемым параметрам – скорости и мощности сигнала – и выбирать соответствующую толщину меди и базового материала.

Существуют разные инструменты термоанализа. Многие пакеты программного обеспечения используются для превентивного анализа, в рамках которого все можно определить на этапе проектирования. Необходимо знать особенности компонентов, определить размеры проводников и зазоров в соответствии с требуемыми параметрами – скоростью и мощностью сигналов, выбрать правильный вес или толщину меди, а также ламинат.

Визуальный осмотр, определение внешних следов повреждений целесообразны для простых печатных плат, предназначенных, например, для источников питания. Нагревание со временем ухудшает состояние ламината и приводит к карбонизации смол, поэтому на первом этапе можно наблюдать потемнение участка, на котором выделяется тепловая энергия.

Можно протестировать работу собранной печатной платы и с помощью инфракрасных камер проверить, где температура превышает допустимые пределы. Очевидно, в этом случае мы уже достигаем «точки невозврата», когда проект печатной платы уже завершен. Такой подход может применяться только для определения аномалий готового проекта. Мы, специалисты NCAB, хотим всегда принимать участие на самых ранних этапах разработки печатной платы, когда мы можем дать свои рекомендации и помочь проектировщику оптимально справиться с работой», – говорит Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia).

Факторы, повышающие спрос на системы терморегулирования

  • Миниатюризация с использованием большего количества компонентов меньшего размера на более компактных печатных платах.
  • Электроника встраивается во все большее число систем.
  • Компоненты работают быстрее и, таким образом, вырабатывают больше тепла.
  • Новые технологии требуют обработки сигналов на более высоких частотах и большей мощности, что генерирует больше тепла.
  • С внедрением 5G целостность сигнала становится особенно важным фактором, поэтому значение терморегулирования возрастает.

Привлечение специалистов на начальном этапе

«Умные разработчики проводят тепловое моделирование перед тем, как конструировать платы, и понимают, что они могут получить. Однако многие компании не располагают материально-технической базой для сложных расчетов тепловых характеристик или требуемым программным обеспечением, поэтому они просто применяют передовой опыт и задают вопросы только при возникновении проблемы. После проведения испытаний и обнаружения проблем терморегулирования они иногда обращаются к нам», – говорит Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp).

Конструкции с высокой мощностью часто требуют управления температурным режимом. Мы рекомендуем проектировать плату в соответствии с нашими рекомендациями по проектированию, чтобы обеспечить соответствие проекта технологии производства. Рекомендации по проектированию многослойных плат, плат HDI, Flex / Rigid Flex и Semi-Flex доступны для загрузки здесь.

Но лучше компаниям привлекать таких специалистов, как NCAB, на начальном этапе проектирования.

«Выбор правильного решения с самого начала экономит потребителю много времени, ресурсов и денег»

Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp),
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

«Это позволит нам предложить альтернативную конструкцию или наиболее подходящий материал и избежать проблем просто и быстро», – говорит он и продолжает: «Иногда этого может быть недостаточно, и нам придется искать более сложное решение». Но все же для нас лучше принимать участие в проекте на начальных этапах, потому что восстановление платы и ее повторное испытание может занять много времени и потребовать больших затрат». В NCAB мы всегда стараемся принять оптимальное решение в самом начале, а не когда дело доходит до проблем с терморегулированием. Это важно еще и потому, что производство плат такого типа более затратно. Выбор правильного решения с самого начала экономит потребителю много времени, ресурсов и денег».

Как регулировать избыточное тепло на уровне печатной платы?

Существует несколько способов регулирования избыточного тепла на уровне печатной платы. Мы спросили об этом Джеффри Бьючемпа (Jeffrey Beauchamp) и Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia).

В каких случаях необходимо использовать специальные решения для терморегулирования на уровне печатной платы, а не только на уровне смонтированного блока?

Джеффри Бьючемп (Дж. Б.): «На уровне сборки тепло забирается из узла и выводится в атмосферу с помощью теплопроводов или теплоотводов, при необходимости — с помощью вентиляционного охлаждения или жидкостного охлаждения. Если это не решает проблему избыточного тепла, необходимо рассматривать решения на уровне несмонтированной печатной платы. Уровень сборки и уровень печатной платы неразрывно связаны, потому что на уровне сборки тепло отводится из узла и выводится в атмосферу, а на уровне печатной платы тепло забирается и передается через плату на поверхность для того, чтобы вывести его посредством охлаждения на уровне сборки».

На изображении показан радиатор, применяемый для рассеивания тепла. Из-за тенденции к миниатюризации в производстве электроники, с использованием все меньших и меньших размеров компонентов, а также более компактных печатных плат, применять такие традиционные решения для охлаждения становится все труднее.

Как регулировать избыточное тепло на уровне несмонтированной платы?

Марио Чанфрилья (М. Ч.): «В проекте с правильным управлением теплом уже на стадии проектирования должны учитываться расположение компонентов на плате и размер проводников. Важно также убедиться в том, что толщины меди достаточно для того, чтобы удерживать нагревание в пределах допусков. Разработчики должны контролировать все данные для компонентов сборки и основных используемых материалов. Они также должны знать температуру, при которой будет работать печатная плата, для определения наиболее подходящего материала по Tg, температуре стеклования, и Td, температуре расслоения. Печатные платы ни в коем случае не должны нагреваться до температур, близким к критическим, при которых материалы будут расслаиваться и приводить к преждевременному отказу печатной платы.

Дж. Б.: «На уровне платы имеется несколько способов передачи избыточного тепла. Самый простой — прикрепить печатную плату к алюминиевой пластине. Мы видим это на примере устаревших печатных платах в самых простых исполнениях. В сочетании с предварительно пропитанным теплоизоляционным композитным материалом получается очень простая система терморегулирования. Следующим шагом является изолированная металлическая основа, так называемая IMS-плата, которую мы часто видим в промышленных системах освещения. Как правило, этот способ используется в платах всего с одним слоем. В данном случае основа из металла, обычно из алюминия, покрывается тонким слоем препрега или смолы, а затем медной фольгой. IMS также можно использовать в двухслойных платах и даже в платах до четырех слоев, хотя это сложнее с точки зрения исполнения. Некоторые более прогрессивные автомобильные фары изготовляются с использованием однослойной IMS-платы из гибкого металла, принимающей нужную форму».

“«Печатные платы ни в коем случае не должны нагреваться до температур, близким к критическим, при которых материалы будут расслаиваться и приводить к преждевременному отказу печатной платы.».

Марио Чанфрилья (Mario Cianfriglia)
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

М. Ч.: «Следующий шаг в развитии терморегулирования после IMS — «сквозные отверстия”. В данном случае мы, безусловно, переходим в гораздо более сложную область с точки зрения процессов, связанных с производством таких объектов. По сути, в игру вступают все возможные технологии для повышения теплопроводности отверстий — с помощью осаждения очень толстой меди на стенке отверстий с последующим заполнением отверстий проводящими и непроводящими смолами и, наконец, закупориванием поверхности отверстий медью. Все это делается для того, чтобы получить защитный слой отверстий, способных передавать большое количество тепловой энергии. При этом разработчик должен учитывать все эксплуатационные параметры объекта и понимать, где размещать те или иные компоненты».

Дж. Б.: «По теплопроводности медь уступает только серебру и алмазу. Поэтому можно с уверенностью сказать, что она является оптимальным материалом для теплопередачи. С помощью сквозных отверстий мы словно создаем больше путей для отвода тепла».

Подпишитесь на наши новости

Подпишитесь на нашу новостную рассылку InFocus, чтобы получать информацию о мире печатных плат. Наш информационный бюллетень выходит три раза в год.

М. Ч.: «И наконец, метод, известный как «медная монета», является наиболее совершенным решением для терморегулирования. Он подразумевает использование медных элементов заданных размеров и геометрии — цилиндрической или кубической формы и различной высоты. Часто они имеют Т-образную форму для передачи как можно большего количества тепла на противоположную сторону платы. Эта технология используется для охлаждения активных компонентов, таких как QFP (Quad-edged Flat Package). Для максимально возможного охлаждения компонента «медная монета» помещается под нижнюю выпуклую часть одним из нескольких возможных способов. Они могут быть прикреплены к поверхности или в полостях, встроены внутрь печатной платы во время прессования слоев или запрессованы на других этапах».

Дж. Б.: «К методу «медной монеты» целесообразно прибегать только в том случае, если другие варианты не сработали. Иногда об этой технологии нас спрашивают клиенты, у которых при тестировании плат возникли проблемы с терморегулированием. Часто они не понимают, насколько сложным и дорогостоящим может быть внедрение такого решения в имеющуюся конструкцию. На первый взгляд, вставить кусок твердой меди для рассеивания тепла легко, но необходимые конструктивные изменения могут быть довольно радикальными. Зачастую можно подобрать более простые решения проблемы. Вам не нужно использовать гранатомет, чтобы убить комара. Для этого есть более простые инструменты».

«К методу «медной монеты» целесообразно прибегать только в том случае, если другие варианты не сработали».

Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp),
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Каковы преимущества и недостатки различных методов терморегулирования?

М. Ч.: В конечном счете, именно от применения зависит то, какое решение выбрать для терморегулирования. В большинстве случаев выбор, пожалуй, определяется стоимостью, которая связана с уровнем сложности технологии».

Дж. Б.: «Преимущество метода «медной монеты» состоит в том, что с его помощью вы обеспечиваете превосходную теплопроводность. Ваш компонент крепится непосредственно к меди и теплоотводу. Однако, как я уже упоминал, основные недостатки данного метода связаны со значительной стоимостью и сложностью. В данном случае предъявляются высокие требования к проектированию, и существует лишь ограниченное количество фабрик, способных производить такие платы.

Напротив, преимущество метода “сквозных отверстий” заключается в том, что с ним может справиться практически любое производственное предприятие. Нужно просто просверлить отверстия. Таким образом, себестоимость производства сравнительно невелика. Конструирование не связано с большими затратами. Нужно учесть, что, добавляя больше сквозных отверстий, вы ограничиваете пространство для размещения компонентов и проводников по имеющейся поверхности. Но это все равно более простое в исполнении решение, чем «медная монета». Недостатком метода “сквозных отверстий” является то, что при металлизации приходится использовать больше меди, что при сегодняшних ценах существенно влияет на стоимость. В качестве альтернативы можно использовать теплопроводящие эпоксидные смолы, но это также относительно дорого и не обеспечивает такую же высокую теплопроводность.

Как и метод “медной монеты”, метод “сквозных отверстий” также имеет потенциальный недостаток. Оба метода обеспечивают настолько хорошую теплопередачу, что это может усложнить процесс пайки. В процессе сотрудничества с разработчиком печатных плат мы всегда рекомендуем обращаться к контрактному производителю или в сборочный цех для согласования этого серьёзного вопроса.

Преимущество IMS состоит в том, что этот метод прост, эффективен и умеренно технологичен. Его недостаток заключается в том, что он существенно ограничивает потенциальное количество слоев. Однослойная IMS-плата — очень распространенный вариант. Двухслойная IMS-плата менее распространена, и ее исполнения несколько ограничены. Трехслойная IMS-плата встречается крайне редко. NCAB может выполнять IMS-платы до четырех слоев, но это не так просто. Такие платы дешевле, чем, например, платы с «медной монетой», но в данном случае применяются совершенно особые требования к структуре стеков, препрегам и т. д.».

«Мы предлагаем весь спектр методов терморегулирования – от IMS и “сквозных отверстий” до “медной монеты” – практически в любом месте нашего географического присутствия».

Джеффри Бьючемп (Jeffrey Beauchamp),
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Что NCAB может предложить в этой отрасли?

М. Ч.: «Мы можем предложить нашим заказчикам все вышеуказанные технологии, в которых необходимо учитывать множество параметров. Благодаря нашему богатому опыту в проектировании, мы порекомендуем наиболее оптимальное решение для конкретного применения. У нас также есть предприятия, которые обладают соответствующими технологиями. Чем раньше заказчик привлекает нас к реализации проекта, тем больше возможностей у нас есть, чтобы помочь клиенту найти наилучшее решение».

Дж. Б.: «Мы предлагаем весь спектр методов терморегулирования – от IMS и “сквозных отверстий” до “медной монеты” – практически в любом месте нашего географического присутствия. Мы можем помочь в выполнении любой задачи — от опытного образца до серийного производства. Терморегулирование — это именно та область, в которой наш опыт может быть невероятно полезен для клиента, особенно учитывая растущий спрос на специальные решения. Я сомневаюсь, что кто-либо еще обладает такими глубокими знаниями о возможных решениях, поскольку мы занимаемся этим каждый день».


Три основных метода терморегулирования в печатных платах

  • IMS (изолированная металлическая подложка) – печатная плата состоит из металлической пластины, как правило, алюминиевой, а медная фольга приклеивается к специальному теплопроводящему препрегу или смоле.
  • «Сквозные отверстия” – используется большое количество сквозных металлизированных отверстий, заполненных медью или проводящей эпоксидной смолой для теплоотвода.
  • «Медная монета” – дополнительные медные элементы отводят тепло от определенных компонентов.