হাই-পাওয়ার PCB-এর তাপ ব্যবস্থাপনা

ডিজাইনাররা বিদ্যুতের প্রয়োজনীয়তা মেটাতে জটিল সমস্যার সম্মুখীন হয়, যার মধ্যে রয়েছে কার্যকর তাপ ব্যবস্থাপনা, পিসিবি ডিজাইন থেকে শুরু করে। আরএফ অ্যাপ্লিকেশন এবং উচ্চ-গতির সংকেত জড়িত সিস্টেম সহ সমগ্র পাওয়ার-ইলেক্ট্রনিক সেক্টর, সমাধানের দিকে বিকশিত হচ্ছে যা ক্রমবর্ধমান জটিল কার্যকারিতা অফার করে। - ছোট স্পেস। ডিজাইনাররা সিস্টেমের আকার, ওজন এবং শক্তির প্রয়োজনীয়তা পূরণের জন্য ক্রমবর্ধমান চাহিদার চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হচ্ছে, যার মধ্যে রয়েছে কার্যকর তাপ ব্যবস্থাপনা, মুদ্রিত-সার্কিট বোর্ডের নকশা থেকে শুরু করে।

উচ্চ-একীকরণ-ঘনত্বের সক্রিয় শক্তি ডিভাইস, যেমন MOSFET ট্রানজিস্টর, উল্লেখযোগ্য পরিমাণে তাপ নষ্ট করতে পারে এবং সেইজন্য পিসিবিগুলির প্রয়োজন হয় যেগুলি উষ্ণতম উপাদানগুলি থেকে গ্রাউন্ড প্লেন বা তাপ-বিচ্ছুরণকারী পৃষ্ঠগুলিতে তাপ স্থানান্তর করতে পারে, যতটা সম্ভব দক্ষতার সাথে এবং কার্যকরভাবে কাজ করে। থার্মাল স্ট্রেস হল পাওয়ার ডিভাইসগুলির ত্রুটির একটি প্রধান কারণ, কারণ এটি কার্যক্ষমতার অবনতি বা এমনকি সিস্টেমের একটি সম্ভাব্য ত্রুটি বা ব্যর্থতার দিকে নিয়ে যায়। ডিভাইসগুলির শক্তি ঘনত্বের দ্রুত বৃদ্ধি এবং ফ্রিকোয়েন্সিগুলির ক্রমাগত বৃদ্ধি ইলেকট্রনিক উপাদানগুলির অত্যধিক গরম করার প্রধান কারণ। কম বিদ্যুতের ক্ষতি এবং আরও ভাল তাপ পরিবাহিতা সহ সেমিকন্ডাক্টরগুলির ক্রমবর্ধমান ব্যাপক ব্যবহার, যেমন ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ উপকরণ, কার্যকর তাপ ব্যবস্থাপনার প্রয়োজনীয়তা দূর করার জন্য যথেষ্ট নয়।

বর্তমান সিলিকন-ভিত্তিক পাওয়ার ডিভাইসগুলি প্রায় 125˚C এবং 200˚C এর মধ্যে একটি সংযোগ তাপমাত্রা অর্জন করে। যাইহোক, ডিভাইসটিকে এই সীমার নিচে কাজ করা সবসময়ই বাঞ্ছনীয়, কারণ এটি একইটির দ্রুত অবনতি এবং এর অবশিষ্ট জীবন হ্রাসের দিকে নিয়ে যাবে। প্রকৃতপক্ষে, অনুমান করা হয়েছে যে অপারেটিং তাপমাত্রায় 20˚C বৃদ্ধি, অনুপযুক্ত তাপ ব্যবস্থাপনার কারণে, উপাদানগুলির অবশিষ্ট জীবন 50 শতাংশ পর্যন্ত হ্রাস করতে পারে।

বিন্যাস পদ্ধতি:

তাপ ব্যবস্থাপনার একটি পদ্ধতি যা সাধারণত অনেক প্রকল্পে অনুসরণ করা হয় তা হল স্ট্যান্ডার্ড ফ্লেম রিটার্ডেন্ট লেভেল 4 (FR-4) সহ সাবস্ট্রেট ব্যবহার করা, একটি সস্তা এবং সহজে কার্যকরী উপাদান, যা সার্কিট লেআউটের তাপীয় অপ্টিমাইজেশানের উপর ফোকাস করে।

প্রধান গৃহীত ব্যবস্থাগুলি অতিরিক্ত তামার পৃষ্ঠের বিধান, অধিক পুরুত্ব সহ ট্রেস ব্যবহার এবং সর্বাধিক পরিমাণ তাপ উৎপন্ন করে এমন উপাদানগুলির নীচে তাপ প্রবেশের বিষয়ে উদ্বেগ প্রকাশ করে। একটি আরো আক্রমনাত্মক কৌশল, যা অধিক পরিমাণে তাপ অপসারণ করতে সক্ষম, এতে পিসিবিতে ঢোকানো বা বাইরের স্তরে প্রকৃত তামার ব্লক প্রয়োগ করা জড়িত, সাধারণত একটি মুদ্রার আকারে (তাই নাম "তামার মুদ্রা")। তামার মুদ্রাগুলি আলাদাভাবে প্রক্রিয়াজাত করা হয় এবং তারপরে সোল্ডার করা হয় বা সরাসরি PCB-তে সংযুক্ত করা হয়, অথবা সেগুলি ভিতরের স্তরগুলিতে ঢোকানো যায় এবং তাপীয় মাধ্যমে বাইরের স্তরগুলির সাথে সংযুক্ত করা যেতে পারে। চিত্র 1 একটি PCB দেখায় যেখানে একটি তামার মুদ্রা রাখার জন্য একটি বিশেষ গহ্বর তৈরি করা হয়েছে।

তামার একটি তাপ পরিবাহিতা সহগ 380 W/mK, অ্যালুমিনিয়ামের জন্য 225 W/mK এবং FR-4-এর জন্য 0.3 W/mK এর তুলনায়। তামা একটি অপেক্ষাকৃত সস্তা ধাতু এবং ইতিমধ্যেই ব্যাপকভাবে PCB উৎপাদনে ব্যবহৃত হয়; অতএব, এটি তামার কয়েন, তাপীয় ভায়া এবং গ্রাউন্ড প্লেন তৈরির জন্য আদর্শ পছন্দ, সমস্ত সমাধান তাপ অপচয়ের উন্নতি করতে সক্ষম।

বোর্ডে সক্রিয় উপাদানগুলির সঠিক অবস্থান হট স্পটগুলির গঠন প্রতিরোধে একটি গুরুত্বপূর্ণ কারণ, এইভাবে নিশ্চিত করে যে তাপ সমগ্র বোর্ডে যতটা সম্ভব সমানভাবে বিতরণ করা হয়। এই বিষয়ে, একটি নির্দিষ্ট এলাকায় হট স্পট গঠন এড়াতে সক্রিয় উপাদানগুলিকে পিসিবির চারপাশে কোনও নির্দিষ্ট ক্রমে বিতরণ করা উচিত নয়। যাইহোক, বোর্ডের প্রান্তের কাছে উল্লেখযোগ্য পরিমাণে তাপ উৎপন্ন করে এমন সক্রিয় উপাদানগুলি স্থাপন করা এড়ানো ভাল। বিপরীতভাবে, তাদের বোর্ডের কেন্দ্রের যতটা সম্ভব কাছাকাছি অবস্থান করা উচিত, একটি সমান তাপ বিতরণের পক্ষে। যদি বোর্ডের প্রান্তের কাছে একটি উচ্চ-ক্ষমতার ডিভাইস মাউন্ট করা হয়, তবে এটি প্রান্তে তাপ তৈরি করবে, স্থানীয় তাপমাত্রা বৃদ্ধি করবে। অন্য দিকে, যদি এটি বোর্ডের কেন্দ্রের কাছে স্থাপন করা হয়, তাহলে তাপটি সমস্ত দিক দিয়ে পৃষ্ঠের উপর ছড়িয়ে পড়বে, তাপমাত্রা হ্রাস করবে এবং তাপকে আরও সহজে ছড়িয়ে দেবে। পাওয়ার ডিভাইসগুলি সংবেদনশীল উপাদানগুলির কাছাকাছি স্থাপন করা উচিত নয় এবং একে অপরের থেকে সঠিকভাবে ব্যবধানে রাখা উচিত।

PCB সাবস্ট্রেট নির্বাচন:

কম তাপ পরিবাহিতা হওয়ার কারণে — {{0}}.2 এবং 0.5 W/mK-এর মধ্যে — FR-4 সাধারণত এমন অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত নয় যেখানে প্রচুর পরিমাণে তাপ অপচয় করা প্রয়োজন। উচ্চ-পাওয়ার সার্কিটগুলিতে যে তাপ তৈরি হতে পারে তা যথেষ্ট, এই সিস্টেমগুলি প্রায়শই কঠোর পরিবেশ এবং চরম তাপমাত্রায় কাজ করে। উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সহ একটি বিকল্প সাবস্ট্রেট উপাদান ব্যবহার করা ঐতিহ্যগত FR-4 ব্যবহার করার চেয়ে একটি ভাল পছন্দ হতে পারে।

সিরামিক উপকরণ, উদাহরণস্বরূপ, উচ্চ-শক্তি PCB-এর তাপ ব্যবস্থাপনার জন্য উল্লেখযোগ্য সুবিধা প্রদান করে। উন্নত তাপ পরিবাহিতা ছাড়াও, এই উপকরণগুলি চমৎকার যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি অফার করে যা বারবার তাপ সাইক্লিংয়ের সময় জমা হওয়া চাপের জন্য ক্ষতিপূরণ দিতে সহায়তা করে। অতিরিক্তভাবে, সিরামিক সামগ্রীর 10 গিগাহার্টজ পর্যন্ত ফ্রিকোয়েন্সিতে অপারেটর কম ডাইইলেকট্রিক ক্ষতি হয়। উচ্চতর ফ্রিকোয়েন্সিগুলির জন্য, হাইব্রিড উপকরণগুলি (যেমন PTFE) বেছে নেওয়া সবসময় সম্ভব, যা তাপ পরিবাহিতা সামান্য হ্রাসের সাথে সমানভাবে কম লোকসান দেয়।

একটি উপাদানের তাপ পরিবাহিতা যত বেশি হবে, তাপ স্থানান্তর তত দ্রুত হবে। এটি অনুসরণ করে যে অ্যালুমিনিয়ামের মতো ধাতুগুলি সিরামিকের চেয়ে হালকা হওয়ার পাশাপাশি উপাদানগুলি থেকে তাপ স্থানান্তর করার জন্য একটি দুর্দান্ত সমাধান সরবরাহ করে। অ্যালুমিনিয়াম বিশেষ করে একটি চমৎকার পরিবাহী, চমৎকার স্থায়িত্ব আছে, পুনর্ব্যবহারযোগ্য এবং অ-বিষাক্ত। তাদের উচ্চ তাপ পরিবাহিতাকে ধন্যবাদ, ধাতব স্তরগুলি পুরো বোর্ডে দ্রুত তাপ স্থানান্তর করতে সহায়তা করে। কিছু নির্মাতারা ধাতু-পরিহিত PCB-গুলিও অফার করে, যেখানে উভয় বাইরের স্তরই ধাতু-পরিহিত, সাধারণত অ্যালুমিনিয়াম বা গ্যালভানাইজড তামা। খরচ-প্রতি-ইউনিট-ওজন দৃষ্টিকোণ থেকে, অ্যালুমিনিয়াম হল সর্বোত্তম পছন্দ, যখন তামা উচ্চতর তাপ পরিবাহিতা প্রদান করে। অ্যালুমিনিয়াম ব্যাপকভাবে PCBs নির্মাণের জন্য ব্যবহৃত হয় যা উচ্চ-শক্তির LED-কে সমর্থন করে (একটি উদাহরণ চিত্র 2-এ দেখানো হয়েছে), যেখানে এটি সাবস্ট্রেট থেকে দূরে আলো প্রতিফলিত করার ক্ষমতার জন্য বিশেষভাবে উপযোগী।

ধাতব PCBs, যা ইনসুলেটিং মেটাল সাবস্ট্রেটস (IMS) নামেও পরিচিত, সরাসরি PCB-তে স্তরিত করা যেতে পারে, যার ফলে FR-4 সাবস্ট্রেট সহ একটি বোর্ড এবং গভীরতা নিয়ন্ত্রণ রাউটিং সহ একক-স্তর এবং ডাবল-লেয়ার প্রযুক্তি সহ ধাতব কোর তৈরি হয়, যা তাপকে অন-বোর্ড উপাদান থেকে দূরে এবং কম গুরুত্বপূর্ণ এলাকায় স্থানান্তর করে। আইএমএস পিসিবিতে, তাপীয় পরিবাহী কিন্তু বৈদ্যুতিকভাবে নিরোধক ডাইইলেক্ট্রিকের একটি পাতলা স্তর একটি ধাতব ভিত্তি এবং একটি তামার ফয়েলের মধ্যে স্তরিত হয়। তামার ফয়েল পছন্দসই সার্কিট প্যাটার্নে খোদাই করা হয় এবং ধাতব ভিত্তি পাতলা অস্তরক মাধ্যমে এই সার্কিট থেকে তাপ শোষণ করে।

IMS PCBs দ্বারা অফার করা প্রধান সুবিধাগুলি হল:

1. তাপ অপচয় স্ট্যান্ডার্ড FR-4 নির্মাণের তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি।

2. ডাইলেক্ট্রিকগুলি সাধারণত 5× থেকে 10× সাধারণ ইপোক্সি কাচের চেয়ে বেশি তাপ পরিবাহী হয়।

3. তাপীয় স্থানান্তর একটি প্রচলিত PCB-এর তুলনায় দ্রুতগতিতে বেশি দক্ষ।

4. LED প্রযুক্তি (আলোকিত চিহ্ন, প্রদর্শন এবং আলো) ছাড়াও IMS সার্কিট বোর্ডগুলি স্বয়ংচালিত শিল্পে (হেডলাইট, ইঞ্জিন নিয়ন্ত্রণ এবং পাওয়ার স্টিয়ারিং), পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সে (ডিসি পাওয়ার সাপ্লাই, ইনভার্টার এবং ইঞ্জিন নিয়ন্ত্রণ) ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। , সুইচ এবং সেমিকন্ডাক্টর রিলেতে।