Технологии в электронной промышленности №6'2011

Теплоотводящие печатные платы для монтажа мощных светодиодов

Закс Мартин (Sachs Martin)


Перевод: Новиков Андрей


За счет постоянного расширения области применения мощных светодиодов, особенно в области светотехники, проблема теплоотвода становится все более актуальной. В статье представлен обзор возможностей для теплоотвода, материалов и правил дизайна, а также приведены конкретные примеры.

Обзор по отводу тепла на печатных платах

Наряду с возможностями теплоотвода с помощью радиаторов, которые, как правило, устанавливаются конечным потребителем вручную после монтажа печатной платы, существует множество методов, предлагаемых производителем печатных плат:

  • Теплопроводящая паста:
    – однокомпонентная паста;
    – нанесение методом трафаретной печати;
    – толщина: 100–500 мкм;
    – применение в комбинации с теплоотводящими сквозными отверстиями (thermal vias);
    – теплопроводность: примерно 2 Вт/м•K;
    – преимущество: не требует больших затрат;
    – недостаток: занимает площадь печатной платы.
  • Печатные платы с толстым слоем меди:
    – толщина медного слоя: от 105 мкм;
    – применение преимущественно в силовой электронике с высокими токами;
    – теплопроводность меди: 400 Вт/м•K;
    – преимущество: отличная теплопроводность;
    – недостаток: ограничение по минимальной толщине проводников.
  • Печатные платы IMS (изолированные металлические подложки).

Изолированные металлические подложки (IMS)

Два термина всегда используются в связи с теплоотводом и печатными платами: теплопроводность и тепловое сопротивление.

Теплопроводность описывает способность материала транспортировать тепло (энергию) и зависит от плотности материала, переносящего энергию. В таблице 1 представлены значения теплопроводности для материалов, которые обычно используются при изготовлении печатных плат.

Таблица 1. Теплопроводность материалов печатных плат

Материал — переносчик энергии Теплопроводность, Вт/м•K
FR4 ~0,2
Воздух ~0,02
Алюминий ~220
Медь ~400
Спец. препреги ≥1

Материалы с теплопроводностью ниже 0,8 Вт/м•K считаются термоизоляторами. Так как печатная плата состоит из различных материалов, невозможно указать конкретное значение ее теплопроводности.

Для описания качества теплопроводности часто используется значение теплового сопротивления Rth (1). Это значение может быть определено на основе толщины слоя материала d, контактной площади A и теплопроводности λ:

Таким образом может быть рассчитано тепловое сопротивление каждого материала печатной платы. Общее сопротивление печатной платы IMS — это сумма отдельных сопротивлений:

Из этого следует, что чем тоньше слой материала и чем лучше теплопроводность, тем, соответственно, ниже тепловое сопротивление.

Отвод тепла с помощью металлического основания платы

В печатных платах этого типа вместо обычного базового материала используется металлическое основание или сердцевина из алюминия или меди. На это основание с помощью препрега закрепляется медная фольга. Металлическое основание является, таким образом, неотъемлемой частью печатной платы (рис. 1).

 Печатная плата IMS

Рис. 1. Печатная плата IMS: a) конструкция односторонней платы; б) шлиф

При этом возможны следующие варианты таких плат:

  • односторонняя плата с глухими отверстиями;
  • двусторонняя плата с глухими и сквозными отверстиями;
  • многослойная плата;
  • жестко-гибкая плата.

Общие правила проектирования приведены в таблице 2 и на рис. 2.

 Схема конструкции

Рис. 2. Схема конструкции: а) односторонняя плата с металлическим основанием; б) двусторонняя плата с металлической сердцевиной


Таблица 2. Параметры для проектирования печатных плат с металлической сердцевиной

Толщина металлической сердцевины dKern = 0,5–2 мм
Толщина медной фольги dCu = 35–105 мкм
Толщина препрега dIsolation ~ 0,06–0,15 мм*
Минимальный диаметр металлизированного отверстия печатной платы ddk ≥ 0,3 мм**
Минимальный диаметр неметаллизированного отверстия печатной платы dndk ≥ 1 мм**
Минимальный диаметр отверстия в металлическом основании dmin ≥ 1 мм**
Расстояние между двумя металлизированными отверстиями a ≥ 1,2 мм**
Минимальная фреза df ≥ 1,6 мм**
Цвет паяльной маски Зеленый, белый, черный
Финишные покрытия HAL, HAL бессвинцовый, OSP, химический Ni/Au, химическое Sn***

Примечания. * Толщина препрега зависит от размера отверстий (в двусторонних печатных платах IMS), которые должны быть заполнены.
** Зависит от толщины металлического основания.
*** Покрытие «химическое олово» принципиально не рекомендуется.

Примеры печатных плат с металлическим основанием различных конструкций

Надежность сквозного соединения может быть дополнительно повышена за счет его заполнения после сверления специальной пастой, а не избытком смолы препрега (рис. 3, 4).

Односторонняя плата с металлическим основанием

Рис. 3. Односторонняя плата с металлическим основанием: а) жесткая печатная плата (топология CREE); б) специализированное применение; в) конечный продукт


Двусторонняя плата с основанием из алюминия

Рис. 4. Двусторонняя плата с основанием из алюминия: a) фрагмент; б) шлиф; в) шлиф сквозного отверстия

Отвод тепла через металлическую подложку

При отводе тепла через металлическую подложку печатные платы изготавливаются как обычно, после чего они крепятся к подложке с помощью препрегов. Металлическая подложка является, таким образом, неотъемлемой частью печатной платы (рис. 5).

Плата с металлической подложкой

Рис. 5. Плата с металлической подложкой: a) конструкция; б) шлиф

Правила проектирования приведены в таблице 3 и на рис. 6.

Схема конструкции платы с металлической подложкой

Рис. 6. Схема конструкции платы с металлической подложкой

Таблица 3. Параметры для проектирования печатных плат с металлической подложкой

Толщина металлической подложки dTräger = 0,5–2 мм
Толщина медной фольги dCu = 35–105 мкм
Толщина препрега dIsolation ~ 0,06–0,15 мм
Толщина печатной платы dFR4 как можно тоньше (0,1–0,3 мм)
Минимальный диаметр отверстия в металлической подложке dmin ≥ 1мм*
Минимальная фреза df ≥ 1,6 мм*
Цвет паяльной маски Без ограничения
Финишные покрытия Без ограничения

Примечание. * В зависимости от толщины металлической подложки.

При этом возможны следующие варианты конструкций таких плат:

  • односторонняя плата с глухими отверстиями (нецелесообразно);
  • двусторонняя плата с глухими и сквозными отверстиями;
  • многослойная плата;
  • жестко-гибкая плата;
  • различные контуры печатных плат/подложек (рис. 7).
 Фрагмент печатной платы с металлической подложкой с различными контурами

Рис. 7. Фрагмент печатной платы с металлической подложкой с различными контурами

Для улучшения теплоотвода вместо FR4 может быть использован другой базовый материал с более высокой теплопроводностью. При использовании различных контуров печатной платы и металлической подложки последняя должна превышать размеры печатной платы как минимум с двух сторон для осуществления точного монтажа платы (рис. 8).

 Расположение печатной платы: a) правильно; б) неправильно

Рис. 8. Расположение печатной платы: a) правильно; б) неправильно

Области применения печатных плат IMS:

  • Высокомощные светодиоды.
  • Силовая электроника.
  • Распределительные устройства.

Заключение

Представим некоторые важные рекомендации для оценки стоимости плат, изготовленных по технологии IMS, и по материалам, а также покажем преимущества и недостатки этой технологии.

Факторы, определяющие увеличение издержек:

  • Толщина металлического основания или подложки (стоимость сырьевого материала).
  • Толщина медной фольги (стоимость сырьевого материала).
  • Количество высверленных отверстий (износ инструмента).
  • Количество фрезированных структур (износ инструмента).

Используемые материалы:

  • Печатные платы с металлической сердцевиной
    или основанием и препрегами FR4.
  • Печатные платы с металлической сердцевиной
    или основанием и препрегами ≥1 Вт/м•K.
  • Печатные платы с Berquist Thermal Clad
    (только односторонние печатные платы).

Преимущества печатных плат с металлическим основанием:

  • Сплошное соединение печатной платы и металлического субстрата.
  • Хороший теплоотвод.
  • Возможны контуры печатной платы и подложки, отличающиеся друг от друга.
  • Высокая механическая стабильность.
  • Нет необходимости в дополнительном отводе тепла.

Недостатки печатных плат с металлическим основанием:

  • Ограниченная степень интеграции.
  • На печатных платах с металлической подложкой возможен только односторонний монтаж поверхностных компонентов.
  • Высокая стоимость.
  • Большой вес.
  • Необходимы специальные знания для процесса изготовления (температурные режимы/предварительный нагрев).

Общие рекомендации

Рекомендации по теплопроводности и тепловому сопротивлению

Чем меньше эпоксидной смолы, тем лучше тепловое сопротивление. Для уменьшения сопротивления и улучшения теплопроводности используются смолы со специальными наполнителями. Однако это идет в ущерб адгезии: чем меньше эпоксидной смолы, тем хуже сцепление. Особенно важно учитывать это в процессах бессвинцовой пайки. В этом случае необходим разумный компромисс.

Рекомендации по толщине медной фольги

В печатных платах с металлической сердцевиной следует использовать медную фольгу не тоньше 70 мкм. Таким образом улучшается горизонтальный транспорт тепла, что приводит к лучшему охлаждению электронного компонента через печатную плату.

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen. 2010. № 9. Германия).

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Испанский язык самоучитель
Интернет-магазин испанской мебели
ichebnik.ru
Сохранить зелень свежей
сохранить зелень свежей
emmapak.ru
Максим Шкиль
Записи Максима Леонидова в формате mp3
maksim-shkil.net