Elektronisches Design - Die Lösung der PCB-Leistungsmodul Wärmeableitung Design

Entwickler von Energiesystemen wollen immer eine höhere Leistungsdichte auf einer kleineren Leiterplattenfläche erreichen, und für Rechenzentrumsserver und LTE-Basisstationen, die große Stromlasten von FPGAs unterstützen müssen, ASIC, Mikroprozessoren, die immer mehr Strom verbrauchen. Um höhere Ausgangsströme zu erreichen, Der Einsatz von Mehrphasensystemen nimmt zu. Um höhere Strompegel auf einer kleineren Leiterplattenfläche zu erreichen, Systementwickler begannen, diskrete Stromlösungen aufzugeben und Leistungsmodule zu wählen. Dies liegt daran, dass Strommodule eine beliebte Wahl zur Verringerung der Komplexität des Designs und der Lösung von Stromversorgungen bieten Leiterplattenlayout Fragen im Zusammenhang mit DC/DC-Wandler.

This article discusses a Mehrschichtige Leiterplatte layout Verfahren, das ein Durchgangsloch-Layout verwendet, um die Wärmeableitungsleistung eines zweiphasigen Leistungsmoduls zu maximieren. Das Leistungsmodul kann als zweikanaliger 20A einphasiger Ausgang oder einkanaliger 40A zweiphasiger Ausgang konfiguriert werden. Das Beispiel PCB-Design Mit Durchgangslöchern wird verwendet, um Wärme aus dem Netzteilmodul abzuleiten, um eine höhere Leistungsdichte zu erreichen, so dass es ohne Kühlkörper oder Lüfter arbeiten kann.

Wie kann dieses Leistungsmodul eine so hohe Leistungsdichte erreichen? Das im Schaltplan in Abbildung 1 gezeigte Leistungsmodul bietet aufgrund der Verwendung von Kupfer als Substrat einen extrem niedrigen Wärmewiderstand θ von nur 8,5°C/W. Um die Wärme für das Leistungsmodul abzuleiten, ist das Leistungsmodul auf einer hocheffizienten thermisch leitfähigen Leiterplatte mit direkter Montage montiert.

The multi-layer circuit board has a top wiring layer (on which the power supply template is installed) and two buried copper planes connected to the top layer with through holes. This structure has a very high thermal conductivity (low thermal resistance), was die Wärmeableitung des Leistungsmoduls einfach macht.

Um den thermischen Widerstand der Kupferschicht auf der Oberseite der Leiterplatte zu bestimmen, nehmen wir die Dicke der Kupferschicht (t) und teilen sie durch das Produkt der Wärmeleitfähigkeit und der Querschnittsfläche. Zur Bequemlichkeit der Berechnung verwenden wir 1 Quadratzoll als Querschnittsfläche, zu diesem Zeitpunkt A=B=1 Zoll. Die Dicke der Kupferschicht beträgt 2.8 mils (0.0028 Zoll). Dies ist die Dicke von 2 Unzen Kupfer, das auf einer 1-Quadratzoll-Leiterplattenfläche abgelagert ist. Der Koeffizient k ist der W/(in-°C) Koeffizient des Kupfers, und sein Wert ist gleich 9. Daher ist für diesen 1-Quadratzoll des 2.8-Mil Kupferwärmestroms der thermische Widerstand 0.0028/9=0.0003°C/W.

Aus diesen Zahlen wissen wir, dass der thermische Widerstand der 33,4 mil (t5) Schicht am höchsten ist. Alle Zahlen in Abbildung 4 zeigen den gesamten Wärmewiderstand der vierlagigen 1-Quadratzoll-Platine von oben nach unten an. Was ist, wenn wir eine Durchgangslochverbindung von der Oberseite der Leiterplatte zur Unterseite der Leiterplatte hinzufügen? Analysieren wir die Situation des Hinzufügens dieser Durchgangslochverbindung.

Die Lochgröße der Durchgangslöcher, die in der Leiterplatte verwendet werden, beträgt etwa 12 Mils (0,012 Zoll). Beim Herstellen des Durchgangslochs wird zuerst ein Loch mit einem Durchmesser von 0,014 Zoll gebohrt und dann Kupfer plattiert. Dadurch wird etwa 1,001 Zoll Kupfer an der Innenseite des Lochs hinzugefügt. Die Platine verwendet auch das ENIG-Beschichtungsverfahren. Dies fügt etwa 200 Mikroinches Nickel und etwa 5 Mikroinches Gold auf die äußere Oberfläche des Kupfers hinzu. Wir ignorieren diese Materialien in unseren Berechnungen und verwenden nur Kupfer, um den thermischen Widerstand des Durchgangs zu bestimmen.

Mit dieser Formel für 12-mm-Löcher (Durchmesser) haben wir r0=6 mils (0,006 Zoll), r1=7 mils (0,007 Zoll) und K=9 (Kupferplattierung).

Die Variable l ist die Länge des Durchgangs (von der oberen Kupferschicht zur unteren Kupferschicht). Es gibt keine Lötmaske auf der Leiterplatte, auf der das Leistungsmodul gelötet wird, aber für andere Bereiche benötigen PCB-Konstruktionsingenieure möglicherweise eine Lötmaske über jedem Durchgangsloch, andernfalls ist der Bereich über dem Durchgangsloch leer. Da der Durchgang nur mit der äußeren Kupferschicht verbunden ist, beträgt seine Länge 63,4 mils (0,0634 Zoll). Der thermische Widerstand der Gesamtlänge selbst beträgt 167°C/W.

Beachten Sie, dass, wenn die Wärme durch das Durchgang fließt und eine andere Schicht erreicht, insbesondere eine andere Kupferschicht, sie seitlich zu dieser Materialschicht diffundiert. Das Hinzufügen von immer mehr Durchkontaktierungen verringert schließlich den Effekt, da die Wärme, die sich seitlich von einem Durchkontakt zum nahe gelegenen Material ausbreitet, schließlich die Wärme aus der anderen Richtung (von einem anderen Durchkontakt) trifft. Die Größe des ISL8240MEVAL4Z Evaluationsboards beträgt 3 Zoll x 4 Zoll. Die oberen und unteren Schichten der Leiterplatte enthalten zwei Unzen Kupfer, und die beiden inneren Schichten enthalten jeweils zwei Unzen Kupfer. Um diese Kupferschichten funktionieren zu lassen, hat die Leiterplatte 917 12-Mil Durchmesser durch Löcher, die alle helfen, Wärme vom Strommodul auf die Kupferschicht darunter zu verteilen.

Schlussbemerkungen

Um sich an die Zunahme der Anzahl von Spannungsschienen und leistungsfähigeren Mikroprozessoren und FPGAs anzupassen, Fortschrittliche Energiemanagement-Lösungen wie ISL8240M Leistungsmodule verbessern die Effizienz durch höhere Leistungsdichte und geringeren Stromverbrauch. Die optimale Realisierung von Durchgangslöchern in der PCB-Design Leistungsmodule sind zu einem immer wichtigeren Faktor für eine höhere Leistungsdichte geworden.