No 1 2021
Värmehantering i elektroniska system blir allt viktigare
FLER ARTIKLAR OM ÄMNET:
I dagens elektronik finns ett växande behov av speciallösningar för att hantera överskottsvärme. En snabb teknikutveckling ställer nya krav, inte minst när det gäller mönsterkort. I detta nummer berättar NCAB:s experter om utvecklingen och vilka metoder som finns till buds för värmehantering.
I moderna elektroniska system, och särskilt i högeffektapplikationer, finns det två huvudaspekter man alltid måste ha kontroll på: verkningsgrad och värmehantering. Verkningsgraden avgör hur mycket effekt som överförs utan förlust. Genom värmehantering säkerställs att de enheter som ingår i systemet fungerar och samtidigt håller acceptabla temperaturnivåer. I grunden handlar värmehantering om olika metoder som används för att förflytta överskottsvärme från en plats till en annan. Traditionellt uppnåddes detta genom att man fäste en extern kylfläns på en bestämd komponent som genererade överskottsvärme. Men vad gör man om det är själva mönsterkortet som generar värmen? Eller om det mekaniskt inte går att fästa en kylfläns på komponenten i fråga?
Ström som inte överförs korrekt omvandlas oundvikligen till värmeenergi. Denna värme måste föras bort så att inte enheternas temperatur ökar. Om detta inte görs i tillräcklig grad kan det leda till skador på komponenterna, eller i varje fall till en kortare livslängd för dem.
När det gäller elektronik och mönsterkort är målet att förflytta överskottsvärmen bort från komponenten och skingra den inom eller genom mönsterkortet från sida till sida. Ibland gör man detta i kombination med aktiva lösningar som fläktar, externa kylflänsar eller vätskekylning.
“Man måste bli mer kreativ och hitta nya lösningar för att leda bort överskottsvärmen.”
Jeffrey Beauchamp
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Innovation ökar behoven av värmehantering
På senare år har behoven av lösningar för värmehantering i elektroniska system ökat. Jeffrey Beauchamp, Technical/Engineering Manager på NCAB Group i USA och Mario Cianfriglia, Field Application Engineer på NCAB Group i Italien förklarar att det är den tekniska innovationen som ligger bakom denna utveckling.
– En av de viktigaste trenderna inom elektroniktillverkning just nu handlar om miniatyrisering, med allt mindre produkter och komponenter samt kompaktare mönsterkort. Det gör det svårare att använda traditionella lösningar som kylflänsar eftersom de kräver för stort utrymme. Därför måste man bli mer kreativ och hitta nya lösningar för att leda bort överskottsvärmen, förklarar Jeffrey Beauchamp.
Ytterligare en ny faktor som konstruktörer möter är hanteringen av de högre temperaturer som genereras av nya komponenter med många fler funktioner som gör beräkningar med högre hastighet. Ju högre beräkningshastighet desto varmare blir komponenterna.
– I grunden blir man tvungen att miniatyrisera mönsterkort för att kunna använda allt mindre komponenter, där antalet kopplingar per kvadratcentimeter har ökat. Detta är en anpassning till den senaste generationens BGA-komponenter som har en pitch på 0,4 mm eller mindre, säger Mario Cianfriglia.
“I grunden blir man tvungen att miniatyrisera mönsterkort för att kunna använda allt mindre komponenter.”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
Applikationer ställer krav på värmehantering
Mario Cianfriglia lyfter också fram att nya krav ställs i och med att elektroniken blir en integrerad del av ett ständigt ökande antal områden.
– I vissa fall kan värmehanteringen ställa extrema krav. Till exempel inom energisektorn, industriapplikationer eller fordonsindustrin, i synnerhet när det gäller elfordon. Samma sak gäller mer komplexa applikationer som inom telekommunikation eller radarsystem, säger han.
Den pågående implementeringen av 5G, femte generationens mobila kommunikation, innebär att elektronikprodukter kommer att få fler komponenter som körs i ännu högre hastigheter, vilket genererar mer överskottsvärme. Samtidigt blir signalintegriteten avgörande i 5G-applikationer.
“För närvarande kan mönsterkort hantera signaler med frekvenser på 3 till 5 GHz. När 5G får full funktionalitet kommer det innebära signaler på 25 GHz och mer.“
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
– Detta är teknikens framkant, där signalintegritet är avgörande. För närvarande kan mönsterkort hantera signaler med frekvenser på 3 till 5 GHz. När 5G får full funktionalitet kommer det innebära signaler på 25 GHz och mer. För att säkerställa signalintegritet under alla förhållanden är det mycket viktigt med korrekt värmehantering. Mönsterkort med stöd för högfrekventa signaler måste konstrueras med korrekt stack-up, specialmaterial och layout, säger Mario Cianfriglia.
– Jag tror vi bara är i början av den ökade efterfrågan på lösningar för värmehantering och att denna bara kommer att fortsätta växa. Förhoppningsvis kommer det också att leda till att nya, mer avancerade metoder utvecklas på området, säger Jeffrey Beauchamp.
Analysprogram förebygger problem
I arbetet med att utveckla produkter finns det olika tekniker för att identifiera potentiella problem med värme. Särskilda programvarupaket har utvecklats för att göra förebyggande analyser och dimensionera rätt i konstruktionen av mönsterkort. Här måste man veta vilka signalhastigheter och vilken effekt som blir aktuella och vad komponenterna kräver när det gäller ledarbredd och isolationsavstånd, kopparmängd och materialval.
– Det finns också verktyg för värmeanalys, många programvarupaket används för förebyggande analys, så att allt kan dimensioneras vid konstruktionen. Man behöver veta komponenternas behov för att få rätt storlek på ledarbredd och isolationsavstånd för de signalhastigheter och effekter de ska stödja, för att välja rätt tjocklek på kopparen och rätt laminatmaterial, säger Mario Cianfriglia.
Visuell inspektion efter skador fungerar på enkla mönsterkort, avsedda uteslutande för effekt. Värmen bryter ned grundlaminaten över tid och det leder till karbonisering av hartsen, vilket i första skedet ger en brun missfärgning av området där värmen utvecklas. Det går att simulera driften av mönsterkortet och kontrollera med infraröda kameror om temperaturen någonstans överstiger den tillåtna. Men då har man ju redan fastställt projektet och kommit igång med det, så det handlar mer om att upptäcka avvikelser.
– Vi vill alltid vara involverade i projektets första fas, då mönsterkortsleverantören kan komma med förslag och hjälpa konstruktören att göra ett bra jobb, säger Mario Cianfriglia.
Detta driver på behovet av värmehantering
- Miniatyrisering, med mindre och fler komponenter på kompaktare mönsterkort.
- Elektronik integreras i allt fler applikationer.
- Komponenter blir snabbare och genererar därmed mer värme.
- Ny teknik medför högre signalfrekvenser som genererar mer värme.
- Signalintegriteten blir viktigare med 5G, vilket ökar värmekänsligheten.
Involvera specialister tidigt
– Avancerade OEM-företag gör värmesimuleringar innan de bygger upp sina kort, men många mindre företag har inte förmågan att göra komplexa beräkningar eller tillgång till programvaran som krävs. Vanligare är att man använder best practices och sedan kommer med frågor i efterhand när det dyker upp problem, säger Jeffrey Beauchamp.
Han rekommenderar istället företag att involvera specialister som NCAB redan i ett tidigt skede. Då kan man kanske hitta en annan stack-up eller ett alternativt materialval för att på ett enkelt, snabbt sätt undvika problem.
“Det går att spara in mycket tid, problem och pengar på att välja rätt alternativ direkt.“
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
– Ibland räcker inte det och vi måste hitta en mer komplex lösning. Fast då är det ändå bättre att vi är involverade tidigt eftersom det kan vara både tidskrävande och kostnadsdrivande att göra om en konstruktion i efterhand och testa den igen. På NCAB trycker vi alltid på att man bör göra saker rätt från början, men när det gäller värmehantering är det ännu viktigare eftersom de här korten är dyrare att tillverka. Det går att spara in mycket tid, problem och pengar på att välja rätt alternativ direkt, säger han.
Hur hanterar man överskottsvärme på mönsterkortsnivå?
Det finns flera sätt att hantera överskottsvärme på mönsterkortsnivå. Vi bad Jeffrey Beauchamp och Mario Cianfriglia svara på ett antal frågor om dem.
När behöver man titta på särskilda lösningar för värmehantering på ren mönsterkortsnivå och inte bara på den monterade nivån?
Jeffrey Beauchamp (JB): – På den monterade nivån förs överskottsvärmen som skapas ut i omgivningen, vanligen med hjälp av värmeledare och/eller kylflänsar, om nödvändigt i kombination med ventilations- eller vätskekylning. I grund och botten är det när detta inte räcker till för att bli av med värmen som man måste börja titta på mer avancerade metoder för värmehantering på mönsterkortsnivå. De två nivåerna hänger också ihop. På mönsterkortsnivå förflyttas överskottsvärmen genom kortet till dess yta, men sedan måste den vidare därifrån för att man ska bli av med den. Det behövs alltid något slags värmehantering på den monterade nivån.
Hur kan värme hanteras på ren mönsterkortsnivå?
Mario Cianfriglia (MC): – I ett välskött projekt har man redan i designfasen tänkt på hur komponenter placeras på kortet och vilken ledarbredd som behövs. Man ser också till att använda tillräckligt med koppar för att minska värmealstringen. Konstruktören måste ha koll på alla data för komponenterna som används och vilka grundmaterial som bör väljas. Man måste veta vilken temperatur mönsterkortet kommer att nå när det används och identifiera lämpligaste material med hänsyn till Tg, glasomvandlingstemperaturen samt Td, nedbrytningstemperaturen. Mönsterkortet får aldrig komma i närheten av materialens nedbrytningstemperaturer eftersom det skulle vara skadligt och leda till att det slutar fungera i förtid.
JB: – På mönsterkortsnivå finns det några olika sätt att flytta bort överskottsvärme som man behöver bli av med. Det enklaste är att mönsterkortet sammanbinds med en aluminiumplatta. Det görs vanligen med enkla mönsterkort. I kombination med ett termiskt prepreg-kompositmaterial får man en mycket grundläggande värmehantering. Nästa steg är ett metallbaskort, så kallade IMS-mönsterkort, som vi ser mycket i till exempel utomhusbelysning. Typiskt används det till kort som bara har ett lager. En basplatta i metall, oftast aluminium, täcks här av ett tunt lager prepreg eller harts och sedan en kopparfolie. Det går att använda IMS även i tvålagerskort och ända upp till fyra lager, även om det blir mer komplext designmässigt. Här går det också att göra metallflexkort, till exempel för strålkastare till fordon.
“Mönsterkortet får aldrig komma i närheten av materialens nedbrytningstemperaturer eftersom det skulle vara skadligt och leda till att det slutar fungera i förtid.“
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
MC: – Nästa steg för värmehantering, bortom IMS, är via farming, vilket är ett mycket mer komplext område, inte minst när det gäller tillverkningsprocessen. Man lägger till vior och utnyttjar i grund och botten alla tillgängliga tekniker för att göra hålen mer värmeledande genom att mycket tjocka lager av koppar läggs på sidorna av viahålen, sedan fylls hålen med ledande och icke-ledande harts och slutligen täcks hålmynningen med koppar. Allt för att få ett täcke av hål som kan transportera bort stora mängder värme. Här är det viktigt att konstruktören tar hänsyn till alla driftmässiga parametrar för kortet och man måste förstå var komponenter ska placeras.
JB: – Efter diamant är koppar det ämne som leder värme allra bäst. På så vis blir detta en optimal lösning för att flytta bort värme. Med via farming skapar vi så att säga fler motorvägar för värmen att transporteras bort på.
Anmäl dig till vårt nyhetsbrev
Prenumerera på vårt nyhetsbrev InFocus för att få information om mönsterkortsvärlden. Nyhetsbrevet publiceras tre gånger om året.
MC: – Den mest avancerade lösningen är slutligen det som kallas copper coin. Då används kopparelement i förutbestämda dimensioner med olika geometriska former – cylindrar eller kuber med olika höjd. Ofta har de en T-form för att flytta så mycket värme som möjligt till andra sidan kortet. Denna teknik används för att kyla aktiva komponenter som QFP (Quad-edged Flat Package). För att kyla komponenten så mycket som möjligt sätts ett copper coin under den med hjälp av en av flera olika möjliga tekniker. De kan fästas på ytan eller i håligheter, integreras inne i mönsterkortet under processen då man pressar samman flera lager, eller pressas in med tryck – pressfit.
JB: – Copper coin är något man ska börja titta på när andra metoder verkligen inte räcker till. Vi får ibland frågor om denna teknik från kunder som har fått problem med värmehanteringen på ett kort vid testning. Men ofta har de då inte insett hur komplicerat och dyrt det kan bli att införa denna typ av lösning i en befintlig konstruktion. Det låter enkelt att sätta in en bit solid koppar som får värmen att försvinna, men de konstruktionsmässiga förändringar som krävs kan bli rätt extrema. Ofta finns det enklare lösningar på problemen. Man behöver inte en bazooka för att döda en mygga, det finns enklare verktyg för det.
“Copper coin är något man ska börja titta på när andra metoder verkligen inte räcker till.“
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Vilka för- och nackdelar finns med de olika metoderna för värmehantering?
MC: – I grund och botten är det den specifika applikationen som tvingar fram olika lösningar på värmehanteringen. Det som framför allt styr valet är nog i de flesta fall kostnaden, som i sin tur hänger ihop med hur avancerad respektive teknik är.
JB: – Fördelen med Copper coin är att man uppnår en utmärkt värmeledningsförmåga. Din komponent binds direkt till koppar och kylfläns. Men som jag redan nämnt finns det stora nackdelar i form av höga kostnader och komplexitet. Höga krav ställs på konstruktionen och det finns bara ett begränsat antal fabriker som klarar av att tillverka sådana kort.
– En fördel med via farming är tvärtom att nästan vilken fabrik som helst klarar av det, allt det handlar om är att borra vior. Tillverkningskostnaden blir därför relativt låg. Det medför inte heller jättelika ingrepp i konstruktionen. Man lägger till fler vior, vilket i och för sig begränsar utrymmet och hur kretsar kan dras i de aktuella områdena, men det är ändå en mer lättillverkad lösning än copper coin. En nackdel med via farming är att man måste använda mer koppar vid pläteringen, vilket med dagens priser avsevärt påverkar kostnaderna. Som ett alternativ kan man använda värmeledande epoxiharts, men det är också relativt dyrt och dessutom inte ledande på samma nivå.
– En potentiell nackdel för både copper coin och via farming är att lösningarna förflyttar värme så bra att det i sin tur kan skapa svårigheter vid lödningen när komponenter ska monteras på kortet. Därför rekommenderar vi alltid konstruktören att kontakta tillverkaren eller monteringsföretaget i förväg för att undvika problem.
– När det slutligen gäller IMS-mönsterkort är fördelarna att metoden är enkel, effektiv och tämligen tillverkningsvänlig. Den stora nackdelen är att tekniken dramatiskt minskar antalet lager som kortet kan ha. För kort med ett lager är IMS väldigt vanligt. Med två lager är det ovanligare och konstruktionsalternativen blir ganska begränsade. Ett trelagers IMS-kort är något väldigt ovanligt. NCAB kan stödja upp till fyralagers IMS-kort, men det är svårt. Det blir fortfarande mindre kostsamt än ett copper coin-kort, men innebär väldigt specifika krav på konstruktionen.
“NCAB täcker hela spektrumet från IMS och via farming till copper coin i stort sett överallt där vi finns geografiskt.“
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
Vad kan NCAB erbjuda på området?
MC: – Vi kan stödja våra kunder vad gäller samtliga dessa tekniker, där det finns många parametrar att ta hänsyn till. Genom vår omfattande erfarenhet inom konstruktion kan vi rekommendera de lämpligaste valen för en specifik tillämpning. Vi har också fabriker som klarar av att tillverka denna typ av produkter. Ju tidigare vi kan bli involverade i ett projekt desto bättre förutsättningar får vi att hjälpa kunderna hitta bästa möjliga lösning.
JB: – Ja, vi täcker hela spektrumet från IMS och via farming till copper coin i stort sett överallt där vi finns geografiskt. Vi kan hjälpa till med allt från prototyper till volymproduktion. Värmehantering är verkligen ett område där kunder har stort utbyte av vår expertis när nu efterfrågan på speciallösningar ökar. Vi arbetar med detta varenda dag och kan det.
Tre huvudmetoder för att hantera värme i mönsterkort
- IMS (Insulated Metal Substrate) – där mönsterkortet byggs upp av en metallplatta – normalt aluminium – där en kopparfolie limmats fast med ett speciellt värmeledande prepreg eller harts.
- Via farming – där man utnyttjar fler viahål och ökar mängden koppar alternativt använder ledande epoxiharts för att leda bort värme.
- Copper coin – där extra kopparelement på något av ett antal sätt binds till specifika komponenter och transporterar bort värmen direkt.