ในฐานะแพลตฟอร์มบูรณาการส่วนประกอบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด แผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (multi-layer PCB) ทำหน้าที่เชื่อมต่อแผ่นวงจรและชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เมื่อผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีแนวโน้มที่จะมีน้ำหนักเบา บาง และมีขนาดเล็กลง พร้อมทั้งมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ส่วนประกอบ IC ก็มีการบูรณาการในระดับสูง ส่งผลให้ PCB มีความหนาแน่นของการบูรณาการสูงตามไปด้วย ผลที่ตามมาคือการเกิดความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน และความหนาแน่นความร้อนของ PCB ก็เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องมาจากการใช้งานส่วนประกอบ IC ความถี่สูงจำนวนมาก เช่น ชนิด A/D หรือ D/A และการเพิ่มขึ้นของความถี่วงจร หากความร้อนจำนวนมากไม่สามารถระบายออกไปได้ ความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะได้รับผลกระทบอย่างมาก จากสถิติพบว่า ในบรรดาปัจจัยที่ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ล้มเหลว อุณหภูมิมีสัดส่วนสูงถึง 55% ซึ่งเป็นสาเหตุอันดับหนึ่ง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราความล้มเหลวของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์จะเพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเพิ่มขึ้น 10°C อัตราความล้มเหลวของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์บางชนิดอาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า สำหรับผลิตภัณฑ์ด้านอวกาศ การออกแบบการควบคุมความร้อนประเภทนี้ยิ่งไม่อาจมองข้ามได้ เพราะวิธีการออกแบบที่ไม่เหมาะสมสำหรับวงจรทุกชนิดในสภาพแวดล้อมพิเศษอาจทำให้ระบบทั้งหมดล้มเหลวโดยสิ้นเชิง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบทางความร้อนระหว่างการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
การวิเคราะห์ควรเริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์สาเหตุ สาเหตุโดยตรงของอุณหภูมิสูงของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อยู่ที่การมีอยู่ของอุปกรณ์ที่มีการใช้พลังงาน อุปกรณ์แต่ละชิ้นมีการใช้พลังงานในระดับที่แตกต่างกันซึ่งก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความเข้มของความร้อน ปรากฏการณ์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิมีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิแบบเฉพาะจุดหรือแบบพื้นที่กว้าง และการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิระยะสั้นหรือระยะยาว การถ่ายเทความร้อนมี 3 วิธี ได้แก่ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน การแผ่รังสีระบายความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผ่านไปในอวกาศ เนื่องจากการระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีมีปริมาณความร้อนค่อนข้างต่ำ จึงมักถูกมองว่าเป็นวิธีการระบายความร้อนเสริม บทความนี้จะนำเสนอวิธีแก้ไขสำหรับการกระจายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)ในกระบวนการทำงานระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง โดยอิงตามเทคโนโลยีการนำความร้อนและการกักเก็บความร้อนชั่วคราวของฮีตซิงก์ โดยใช้แผงวงจรพิมพ์เซอร์โวประเภทหนึ่งเป็นตัวอย่าง
บนแผงวงจรเซอร์โว (servo PCB) แผ่นนี้ มีชิปขยายกำลัง 2 ตัว กำลังขับตัวละ 2W, ชิปแปลง R/D จำนวน 2 ตัว, ชิป CPU จำนวน 2 ตัว, ชิป EPLD จำนวน 1 ตัว และชิปแปลง A/D จำนวน 1 ตัว กำลังไฟฟ้ารวมของแผงวงจรเซอร์โวนี้คือ 9W แผงวงจรเซอร์โวถูกติดตั้งอยู่ในสภาพแวดล้อมปิดผนึกที่มีการพาความร้อนของอากาศจำกัด นอกจากนี้ เนื่องจากมีพื้นที่จำกัด จึงไม่สามารถติดตั้งแผ่นระบายความร้อนแบบ cold plate บนแผงวงจรเซอร์โวได้ เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานตามปกติของแผงวงจรเซอร์โว จึงสามารถใช้ได้เพียงเทคโนโลยีการนำความร้อนและการกักเก็บความร้อนชั่วคราวของฮีตซิงก์เท่านั้น ในการถ่ายเทความร้อนที่เกิดจากแผงวงจรไปยังตัวเครื่อง
เป็นวิธีทั่วไปในการระบายความร้อนผ่านแผงวงจรพิมพ์แกนโลหะขั้นแรก ฝังแผ่นโลหะที่มีการนำความร้อนดีเยี่ยมไว้ระหว่างแผ่น PCB แบบหลายชั้น จากนั้นระบายความร้อนโดยตรงจากแผ่นโลหะ หรือเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่แยกออกจากกันเข้ากับแผ่นโลหะเพื่อระบายความร้อน โครงสร้างการทำงานแสดงไว้ในรูปที่ 1
วัสดุหลักของแผ่นวงจรพิมพ์แกนโลหะ (Metal Core PCB) ได้แก่ อะลูมิเนียม ทองแดง และเหล็ก นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นชั้นกราวด์ได้ด้วย ชั้นบนและชั้นล่างของแผ่นวงจรพิมพ์แกนโลหะสามารถเชื่อมต่อถึงกันผ่านรูทะลุชุบโลหะ และความร้อนสามารถถูกถ่ายเทบนชั้นในและผิวหน้าของแผ่นวงจรพิมพ์แกนโลหะได้ องค์ประกอบให้ความร้อนสามารถบัดกรีลงบนบอร์ดได้โดยตรงผ่านด้านล่างและรูนำความร้อน ดังนั้น ความร้อนที่เกิดจากองค์ประกอบให้ความร้อนจึงถูกถ่ายเทโดยตรงไปยังแผ่นวงจรพิมพ์แกนโลหะ ซึ่งจะส่งผ่านความร้อนไปยังโครงเครื่องที่สัมผัสกันด้วยรูนำความร้อนและระบายออกไป แผ่นวงจรพิมพ์ที่มีโครงสร้างเช่นนี้มีการใช้งานอย่างกว้างขวาง แต่ก็อาจก่อให้เกิดปัญหาบางประการได้เช่นกัน แผ่นวงจรพิมพ์แกนโลหะมีความหนามาก ทำให้เกิดการโก่งตัวได้ง่ายเมื่อการกระจายความร้อนไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้การสัมผัสระหว่างชิปบนแผ่นวงจรพิมพ์กับขาเสียบหลวมได้ แผ่นวงจรพิมพ์แกนโลหะสามารถระบายความร้อนได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย ซึ่งก่อให้เกิดความยากลำบากอย่างมากต่อการเปลี่ยนชิป และในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนชิป การดึงดูดความร้อนเฉพาะจุดของแผ่นวงจรพิมพ์แกนโลหะจะทำให้แผ่นวงจรพิมพ์เกิดการโก่งตัวอย่างรุนแรง มีการยืนยันแล้วว่าแผ่นวงจรพิมพ์ที่มีพื้นที่กว้างยิ่งมีแนวโน้มจะโก่งตัวได้ง่ายมากขึ้น
เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น จำเป็นต้องอัปเกรดการออกแบบไปใช้แผงวงจรพิมพ์แบบแกนโลหะ (Metal Core PCB)
a. แผ่นฟอยล์ทองแดง 4 ชั้นที่มีความหนา 0.15 มม. สามารถถูกหนีบไว้ในแผ่น PCB ได้เพื่อให้ความหนาของแผ่น PCB เพิ่มขึ้น 3 มม. เพื่อให้มั่นใจว่าแผ่น PCB ไม่เสียรูปได้ง่ายและเพิ่มความน่าเชื่อถือของรูทะลุ
b. สำหรับชิปที่มีการเกิดความร้อน 2W สามารถเพิ่มแผ่นรอง SMT ที่ด้านล่างของชิปเพื่อถ่ายเทความร้อนไปยังชั้นโลหะของ PCB ได้
c. ด้านล่างของชิปสามารถถ่ายเทความร้อนไปยังชั้นฟอยล์ทองแดงภายในได้ผ่านฟอยล์ทองแดงพื้นที่ขนาดใหญ่และรูนำความร้อน
d. สามารถกัดชั้นฉนวนทั้งสองด้านของ PCB ออกเพื่อให้เกิดการทำเมทัลไลซ์ที่ขอบ PCB ได้ การระบายความร้อนสามารถทำได้ผ่านการสัมผัสระหว่างขอบ PCB ที่เปลือยกับฐาน การติดตั้งสามารถทำได้ด้วยสกรู 36 ตัวเพื่อเพิ่มการนำความร้อนระหว่าง PCB กับตัวเครื่อง
หลังจากดำเนินมาตรการที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว การออกแบบ PCB ที่ได้รับการปรับปรุงจะแสดงดังภาพที่ 2
