התפקיד הקריטי של בחירת החומרים של PCB ב- Power Supply

יעילות אספקת חשמל היא אבן הפינה של אלקטרוניקה מודרנית, השפעה ישירה צריכת האנרגיה, ניהול תרמי ואמינות המערכת. בעוד מעצבים מתמקדים לעתים קרובות מעבר להתנצלות, בחירות רכיב, לולאות בקרה, לוח המעגל המודפס (PCB) מסובך עצמו ממלא תפקיד מכריע באותה מידה.חומר שממנו PCB הוא מארג השפעות דיאלקטריות, מוליכות תרמית, זהות ויציבות מכנית - כל הגורמים הקובעים ביעילות כיצד מהנדסים חשמליים וספקים את ההשפעה של כוח, וספקת את ההשפעה של כוח זה משפיע על תפקודים.

הבנת יסודות PCB

חומרים PCB מספקים פלטפורמה מכנית עבור מרכיבים מצטברים ואת המדיום החשמלי עבור עקבות routing.ב הליבה שלהם, כימות PCB מודרני מורכב מרקם מהדהד (בדרך כלל סיבים) מוכלסים עם מערכת resin (כגון epoxy, polyimide, או PTFE).החומר המורכב המתקבל מציג קבוצה של תכונות כי מהנדסים חייבים להעריך: קבוע (Dicaldation), ipation חום (אפקטים), טמפרטורה סטנדרטית (אפקטיביות), שינוי חום (pite טמפרטורה), , טמפרטורה).

פרדוקס חשמלי מפתח

הקבוע הדיאלקטרי (Dk) קובע כמה החומר מאט את התפשטות האות והשפעות שיבוש התאמה. a יציב, Dk נמוך רצוי מעגלים טבילה גבוהה כדי למזער השתקפות ועיוות שלב.גורם הדיספלציה (Df) מסמיך את האנרגיה שאבדה כמו חום למחזור; ערכים נמוכים יותר מניבים יעילות גבוהה יותר, במיוחד בתדרים גבוהים.

נכסים ארסיים

מוליכות תרמית (בדרך כלל 0.2-4.0 W / mK עבור סטנדרטי FR-4, עד 10 + W / mK עבור מתכת-core או חומרים קרמיקה) מכתיב כמה מהר חום מתפשט ממרכיבים חמים לסביבה המבולחתת (G) לטמפרטורת המעבר זכוכית (Tg) מסמן את הנקודה שבה רכילים; מעל Tg יכול לגרום עיוות מכני, דלמנטציה, אובדן דם תרמי ואבדה של תרכובת של תרכובת מתכת (C) כדי למנוע התפשטות משותפת).

ההשפעה הישירה של חומרי PCB על כוח אספקה

יעילות אספקת החשמל מוגדרת כיחס של כוח התפוקה לעוצמה קלט, והפסדים מופיעים בעיקר כחום.בעוד שמוליכים למחצה מחליפים הפסדים, הפסדים ליבה מגנטיים והפסדים I2R בעקבות מוערכים היטב, תת-ה PCB תתרום באמצעות כמה מנגנונים עדינים אך משמעותיים:

  • (FLT:0) הפסדים חשמליים: FLT:1 ב ⁇ גבוהה החלפת חשמל אספקה (למשל, ממירי עף הפועלים 500 kHz או עיצובים המבוססים על GaN במספר MHz), שדה חשמלי AC בין עקבות ומטוסים חודרים לחומרים החבויים עם גורם דיסיפוי גבוה להמיר את האנרגיה הזו לחום, צמצום היעילות הכוללת של כל 0.001 ב Df, ו- 0.1% עם התדרים אופייניים עם ירידה בתדירות גבוהה.
  • (FLT:0) הפסדים ואפקט עור: FIRLT:1 בתדרים גבוהים, קהלים נוכחיים לעבר פני השטח של עקבות נחושת (אפקט דומה), הגדלת התנגדות AC. בעוד בחירה חומרית אינה משנה ישירות התנגדות נחושת, היא משפיעה על היכולת של המעצב להשתמש בשכבות נחושת עבות יותר או עקבות רחבות יותר גיאמטריה כדי להפחית את ההשפעה העור - שכבות כי לעתים קרובות מוכתבים על ידי תכונות תת-ת תרמיים והתרחבות.
  • (FLT:0) ניהול רב-ממדי: 1 חום שנוצר ב- Power MOSFET, אינדוקטורים, והופכים חייבים להתבצע משם.L-thermal-conductity laminates (כמו תקן-4) ליצור כתמים חמים שגורמים לתפקוד רכיב ולאיץ חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה יותר מאפשרים כיור חום קטן, מהירויות גבוהות יותר, או אפילו עיצוב לא-כל שיפור יעילות ברמה גבוהה יותר.
  • (FLT:0) יושרה שפיר ו-EMI:FreaLT:1; שליטה לקויה בשל דיו לא עקבי מובילה להשתקפות ולקרינה של פליטות.זה מכריח את השימוש של נחירות או טכס טפילים שבזבזו אנרגיה. Stable Dk על פני תדירות וטמפרטורה ממשיך להחליף לאיים נקיים, להפחית את הצורך עבור סינון לקוי.

מקרה מחקר: אובדן דיאלקטרי ב 1 MHz Buck Converter

שקול 48-V עד 12-V ממיר מעבר 1 MHz.שימוש סטנדרטי FR-4 (Df ⁇ 0.02 ב 1 MHz), אובדן דיאלקטרי בזוג שלב הכוח הנושא 10 A rms יכול לתרום תוספת 0.5-1.5 W של חום. Switching ל- R350B laminate (Df0.0031)s כי אובדן של רמות כמעט בלתי ניתנות להפחתה של פחות מ- 0.5%, תוך כדי ירידה של הטמפרטורה הנמוכה יותר.

סקר של חומרים נפוצים של PCB ו- Trade-Offs

FR-4 (Standard Epoxy/Fiberglass)

FR-4 נשאר סוס העבודה של אלקטרוניקה כוח בשל עלות נמוכה, כוח מכני גבוה וקלות של ייצור. טווחי Tg טיפוסי מ 130-180 מעלות צלזיוס. עם זאת, Dk (3.8-4.5) ו Df (0.015-025) הם עלות בתדר תלויות, ו מוליכות תרמית (0.25–0.4 W/mK) הוא עני.

High-Tg FR-4 (למשל 170-200 ° C)

באמצעות שרף עם צפיפות crosslink גבוהה יותר, Tg הוא גבוה 170-200 מעלות צלזיוס, הפחתת CTE ב Z-Axis ושיפור האמינות תחת לחץ תרמי. תכונות חשמל דומות ל סטנדרטי FR-4, כך שרווחים באים בעיקר מחיי הרכיב ארוך יותר ולהפחית את דף המלחמה ולא שיפור חשמלי ישיר.

פולימיידי

פולימניד להלומיים מציעים יציבות תרמית מעולה (Tg > 250 מעלות צלזיוס) ושפל, מה שהופך אותם אידיאליים עבור כוח צבאי ואווירה.Df שלהם הוא מעט נמוך יותר מאשר FR-420-0.015), אבל הם סופגים יותר לחות, אשר יכול לגוון ביצועים חשמליים אם לא חתומה כראוי. Polyimide לא נבחר בדרך כלל ליעילות בלבד, אלא עבור איכות קשה.

רוג'רס (Ceramic-Filled Hydrocarbon / PTFE Composites)

סדרת רוג'רס RO4000 ו-RO3000 (למשל, RO4350B, RO3003) מיועדת ליישומים גבוהים וכוח גבוה הרץ (למשל, RD בטווח 3.0-3.6 עם סובלנות הדוקה (±0.05) ו- Df נמוך מאוד (0.001–0.003).ההתנהגות הטורמית נעה בין 0.6–0. W/mK (יותר מ-0.4 ליטרים, לעומת 1=0) כלומר, 000) של חומרים מיוחדים, לעומת זאת, לעומת 1=0.

Teflon- Based (PTFE / PTFE-Glass)

PTFE laminates (למשל, רוג'רס RT/duroid 5880) יש את Df הנמוך ביותר (0.0004-0.0009) ו Dk סביב 2.2, המספק ביצועים גבוהים יוצאי דופן שלהם מוליכות תרמית (0.2–0.3 W/mK) הוא עני, ו- CTE הוא גבוה, הדורש תכנון זהיר כדי להימנע מלחץ. אלה הם חומרים קיצוניים שמורים עבור כוח RF, ממיר, כאשר הם תדרי מיקרוגל הוא גבוה, כאשר הוא מתמירים, כוח GHz, כאשר הוא גבוה, כאשר הוא גבוה, מהירות גבוהה, כלומר, כאשר הוא ממריצים מיקרוגל.

Metal Core and IMS (Insulated Metal Substrate)

אלומיניום או נחושת-cores (IMS) מציעים מוליכות תרמיות של 1.5-10 W / mK (בהתאם לשכבת dielectric Layer) עובי מוליכים תרמי אבל מבודדת מבחינה חשמלית (לעתים קרובות מלא חלקיקים קרמיקה) מפריד את נפח הנחושת המעגל מבסיס המתכת.חומרים אלה משמשים בנהגים LED-נוכחיים גבוהים, כונן מוטורי, ו- DCDCers שבו הסרת חום מלמטה-co-side הוא לחץ גבוה יותר.

אסטרטגיות ניהוליות חריפות ניתנות על ידי בחירה חומרית

בחירת תת-קרקעית מוליכים גבוהה יותר היא לעתים קרובות הדרך היעילה ביותר להפחית טמפרטורות כתמים חמים ללא גודל לוח גדל.לדוגמה, החלפת לוח 1.6 מ"מ FR4 (0.3 W / mK) עם 1.6 מ"מ אלומיניום IMS לוח (2 W/mK) יכול לחתוך את ההתנגדות התרמית מלמטה של D2K החבילה ל- ambient-side של לוח ה- 80% עד לתדירות נמוכה יותר מ-fc) או נמוכה יותר.

חומרים עם CTE נמוך ב Z-Axis (כמו כמה מרוכבים מלאים קרמיקה) למנוע באמצעות סדקים בחבית תחת רכיבה תרמית, אשר אחרת יפתח מעגלים ואפקטים בקצב לאורך זמן. מעצבים צריכים גם לשקול את הסינרגיה בין מוליכות תרמית חומרית ומטוס נחושת: דיאלקטרי גבוה יחסית מוליכים למחצה מתפשט חום מאוחר יותר, מה שהופך נחושת גדול יעיל יותר כמו חום.

בחירת החומרים של PCB הנכון: מסגרת החלטה

שום חומר יחיד אינו אופטימלי עבור כל אספקת החשמל.תהליך הבחירה צריך לשקול חשמל, תרמי, מכני וכלכלי גורמים:

  • (FLT:0) אופרט תדירות: 1FLT מתחת 200 kHz, תקן FR-4 בדרך כלל מספיק. בין 200 kHz ו 1 MHz, לשקול גרסאות נמוכות של FR-4 (למשל, Isola 370HR) או סדרת רוג'רס מעל 1 MHz (GaN, SiC), חומרים נמוכים-Df כמו רוג'רס 4350B או FE הם מוצדקים.
  • (FLT:0) הסביבה הירומית: 1FLT) לטמפרטורות ממושכות מעל 85 מעלות צלזיוס או מועצות כוח על פני 50 W/in2, השתמש ב-Tg FR-4 או לעבור ל- IMS/metal-core כדי לשמור על רכיבים בתוך אזור ההפעלה הבטוח שלהם.
  • (ב) ,0) מגבלות: 1 כאשר שטח לוח מוגבל, חומרים מוליכות תרמיים גבוהים יותר מאפשרים את אותה ניתוק חום טביעת רגל קטנה יותר, המאפשרים אספקה קומפקטית יותר.
  • תקציב:0 (FLT:1) A טיפוסי FR-4 עולה 002-0.05 אינץ 'ריבוע; רוג'רס מוסיף 015-0.40 לסנטימטר מרובע; מתכת-core עשוי להוסיף $ 10-0.30 אינץ 'אבל לעתים קרובות לחסוך על תנורי חום ומעריצים.
  • דרישות אמינות: 1.FLT 1 Aerospace, רפואי ויישומים לרכב עשויים לחייב פולימאיד או חומרים גבוהים, אפילו על חשבון ביצועים חשמליים.

דוגמה מעשית: בחירת חומר עבור 2-MHz GaN Converter

דמיינו 48-V עד 12-V GaN להמיר 2 MHz, המספק 500 W. Standard FR-4 יביא להפסדים דיאלקטריים של כמעט 2 W, בעוד Df של החומר יגרום להפחתה של אמפליטודה בסיגות שער. A רוג'רס RO4350B לוח (0.020 " עובי, 2oz נחושת משני הצדדים) מקטין את האובדן החשמלי ל- 0.22, 000 דולר ל- 200%, אך ורק כדי לחסוך מ-160 דולר להפחתה של צריכת דלקות של צריכת דלקות בלבד.

מגמות עתידיות ב- PCB חומרים ל- Power Supplies

חומרים מתעוררים דוחפים גבולות נוספים.למרבה הצער, מתפתלים בשכבות גרפיות (התנהגותיות שנייה > 500 W/mK במטוס) משמשים בנהגים LED ומודולים חשמליים. Ceramic- PTFE מלא PTFE מעוקבים עם Df מתחת 0.0002 מאפשרים ממירים של ג'יגההרץ בינתיים, ייצור (מעודכן) גמישים על אלקטרוניקה אלקטרוניקה קומפקטית עדיין יש צורך במחסנים נוקשה יותר.

התפתחות מרגשת נוספת היא השימוש במרכיבים פסיביים מוטבעים בתוך ה- PCB להשחית עצמו – קמצנים ומתנגדים שנקברו בתת המצע – כדי להפחית את החדירה הטפילית ולשפר את היעילות.אלה דורשים חומרים עם דיו ועובי, צמיגים של בחירה חומרית אפילו יותר קרוב לעיצוב המעגל.

מסקנה

(הבחירה החומרית של PCB אינה פרמטר עיצוב בסיסי השולט ישירות ביעילות אספקת החשמל, התנהגות תרמית ואמינות ארוכת טווח.על ידי הבנת המשחק בין הפסדים דיאלקטריים, מוליכות תרמית ונכסים מכניים, מהנדסים יכולים לקבל החלטות מושכלות שמשפרות ביצועים ללא נפח של חומרים לאספקת חשמל (בדרך כלל) אם היישום הוא מטען צרכני נמוך או גבוה של מועמדויות, להמיר את תהליך ההפעלה של 2, 000, 000) באופן קבוע, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של ייצור חשמל, הוא תמיד מאריך את רמת ערך.