Metal Core PCB ทางออกที่เหมาะสมสำหรับปัญหาความร้อนใน PCB และ PCBA

การเพิ่มขึ้นของสเปกผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทำให้มีการประยุกต์ใช้วงจรรวมขนาดใหญ่ (IC) อย่างกว้างขวางและการประกอบเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT)ในการให้บริการด้านการผลิตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ นอกจากนี้ วงจรยังมีแนวโน้มไปสู่การมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา มีฟังก์ชันหลากหลาย ประสิทธิภาพสูง ความเร็วสูง และความเชื่อถือได้สูง การเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของความหนาแน่นของชิ้นส่วนทำให้ความหนาแน่นของการไหลของความร้อนเพิ่มขึ้นทีละน้อย สำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แล้ว อุณหภูมิที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสมรรถนะทางไฟฟ้าได้ ทุกครั้งที่ T_jอุณหภูมิจุดต่อ (junction temperature) ที่เพิ่มขึ้นเพียงหนึ่งครั้งอาจทำให้เกิดการล้มเหลวจากความร้อนหากมีความรุนแรง หากปัญหาความร้อนไม่ได้รับการแก้ไขอย่างเหมาะสม สเปกของคอมโพเนนต์ย่อมเกิดความไม่เสถียรอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ส่งผลให้เสถียรภาพและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ลดลง และทำให้ภารกิจของผลิตภัณฑ์เสี่ยงต่อความล้มเหลว โดยสรุปแล้ว ปัญหาความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (Printed Circuit Boards, PCBs) มีความเด่นชัดมากจนจำเป็นต้องให้ความสำคัญเป็นพิเศษ เพื่อให้ได้มาซึ่งประสิทธิภาพสูงของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์

จนถึงปัจจุบัน วิธีการระบายความร้อนที่ใช้ในวงจรไฮเทคยังแทบไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการระบายความร้อนของวงจรรุ่นหลังได้ จึงจำเป็นต้องมีโซลูชันการจัดการความร้อนรูปแบบใหม่ โดยอ้างอิงจากการอภิปรายเกี่ยวกับวิธีการระบายความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แผงวงจรพิมพ์แกนโลหะ (MCPCB)ถูกนำมาใช้เป็นวิธีแก้ปัญหาความร้อนในวงจรขั้นสูง

วิธีการระบายความร้อนแบบดั้งเดิม

ความร้อนที่เกิดจากวงจรส่วนใหญ่มีที่มาจากความร้อนของอุปกรณ์ ความร้อนของแผ่น PCB และความร้อนที่เกิดจากการนำความร้อนจากภายนอก ซึ่งในบรรดานี้ความร้อนจากอุปกรณ์เป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นปัญหาการระบายความร้อนของอุปกรณ์จึงได้รับความสนใจมากที่สุดในระหว่างการจัดวางอุปกรณ์และการออกแบบ PCB ความต้านทานความร้อนมีบทบาทสำคัญในการออกแบบทางความร้อน และเป้าหมายของการออกแบบทางความร้อนคือการลดความต้านทานความร้อนบนเส้นทางการนำความร้อน เพื่อให้ความร้อนถูกนำไปยังฮีตซิงก์ เช่น หม้อน้ำ ได้อย่างรวดเร็ว ความต้านทานความร้อนโดยรวมระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และฮีตซิงก์สามารถแบ่งออกได้เป็นระดับอุปกรณ์ ระดับการประกอบ และระดับระบบ ความต้านทานความร้อนระดับอุปกรณ์เรียกว่าความต้านทานภายใน ในขณะที่ความต้านทานระดับการประกอบเรียกว่าความต้านทานภายนอก และความต้านทานระดับระบบเรียกว่าความต้านทานสุดท้าย ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานภายในและภายนอกและ T_jขององค์ประกอบเทียบเท่ากับระหว่างองค์ประกอบ T_จและความต้านทานความร้อน โดยเป็นไปตามสมการต่อไปนี้:

ที_j=P_dx (R_jc+R_cs+R_ซา)+T₀

ในสูตรนี้ T_jหมายถึงอุณหภูมิรอยต่อของคอมโพเนนต์; P_dหมายถึงพลังงานของอุปกรณ์; R_เจซี, R_{ซีเอส}และ R_ซาหมายถึงความต้านทานความร้อนจากจุดเชื่อมต่อถึงตัวหุ้ม จากตัวหุ้มถึงฮีตซิงก์ และจากฮีตซิงก์ถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าทั้งหมด ตามลำดับ T₀หมายถึงอุณหภูมิเบื้องต้นและ R_jcเป็นค่าลักษณะเฉพาะที่คงที่ ดังนั้น การลดความต้านทานความร้อนจึงสามารถทำได้เพียงจากมุมมองของ R_{ซีเอส}และ R_ซา.

โหมดการประกอบอุปกรณ์มีบทบาทสำคัญในการกระจายความร้อน และโหมดการประกอบประเภทต่าง ๆ ต้องการวิธีการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน

• โครงสร้างแพลตฟอร์มแบบนูน

เมื่อเปลือกหุ้มคอมโพเนนต์สัมผัสโดยตรงกับแผงวงจรและถูกประกอบไว้ที่ด้านหน้า ควรใช้แท่นนูนของแผ่นปิดเพื่อการระบายความร้อน การระบายความร้อนด้วยแท่นนูนหมายถึงกระบวนการที่เพิ่มแท่นนูนสำหรับการระบายความร้อนบนแผ่นปิดที่สอดคล้องกับตำแหน่งฮีตซิงในวงจร โดยใช้แผ่นฉนวนที่นำความร้อนในการสัมผัสกับแท่นนูนนั้น

โหมดการกระจายความร้อนแบบนี้ต้องอาศัยการทำงานร่วมกันระหว่างโครงสร้างและการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จำนวน ตำแหน่ง ความสูง พื้นที่ของแท่นนูน และความหนาของแผ่นนำความร้อน ล้วนมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับประสิทธิภาพของแผงวงจร นอกจากนี้ ยังต้องคำนึงถึงค่าความคลาดเคลื่อนในการประกอบด้วย ดังนั้นโหมดนี้จึงก่อให้เกิดความยากลำบากมากมายต่อการออกแบบ PCB การผลิต PCB และการประกอบ PCB (PCBA)

• เทปนำความร้อน

หากขาพินของคอมโพเนนต์ถูกบัดกรีเข้ากับแผงวงจร PCB โดยตรงโดยที่ตัวเรือนของคอมโพเนนต์ไม่ได้สัมผัสกับแผงวงจรโดยตรง สามารถใช้เทปนำความร้อนเพื่อช่วยระบายความร้อนได้ เทปนำความร้อนมักทำจากทองแดง และมีรูปแบบการประกอบอยู่สองแบบ แบบแรกคือยึดเทปนำความร้อนไว้บนด้านบนของคอมโพเนนต์ โดยปลายอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับฮีตซิงก์ อีกแบบหนึ่งคือประกอบคอมโพเนนต์เข้ากับแผงวงจรผ่านเทปนำความร้อน โดยปลายอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับฮีตซิงก์ รูปแบบการระบายความร้อนแบบหลังนี้จะถ่ายเทความร้อนหลัก ๆ ผ่านทางด้านล่าง สามารถใช้แผ่นฉนวนกันความร้อนที่มีคุณสมบัตินำความร้อนและมีกาวในตัวระหว่างคอมโพเนนต์กับเทปนำความร้อนได้

โหมดนี้ต้องมีการประกอบโครงสร้างระหว่างชิ้นส่วนและเทปนำความร้อน ซึ่งทั้งสองอย่างควรรักษาการสัมผัสที่ดีกับแผ่นนำความร้อนและชิ้นส่วน และไม่ควรก่อให้เกิดความเค้นมากเกินไปกับขาพินของชิ้นส่วน เพื่อยึดเทปนำความร้อน จะต้องทำรูยึดคงที่บนแผงวงจร ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเดินลายและการจัดวางบนแผงวงจร ดังนั้นโหมดนี้จึงไม่เหมาะสำหรับแผงวงจรพิมพ์ความหนาแน่นสูง.

นอกจากนี้ ขาของชิ้นส่วนจะได้รับผลกระทบเมื่อเทปนำความร้อนเกิดการสั่นสะเทือน ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ

• เทอร์โมทูบ

Thermotube ใช้ประโยชน์จากการทำความเย็นแบบระเหย โดยมีความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างมากที่ปลายทั้งสองด้านของ thermotube ทำให้สามารถนำความร้อนได้อย่างรวดเร็ว โดยทั่วไปแล้ว thermotube ประกอบด้วยเปลือกท่อ ไส้ท่อ และฝาปิดปลายท่อ ภายใน thermotube อยู่ในสภาวะความดันลบ โดยบรรจุของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำอยู่บางส่วน นอกจากนี้ ของเหลวชนิดนี้ยังระเหยได้ง่าย แกนดูดซับของเหลวจะอยู่บนผนังท่อ ทำจากวัสดุรูพรุนแบบเส้นเลือดฝอย ปลายด้านหนึ่งของ thermotube ใช้สำหรับการระเหย ในขณะที่อีกด้านหนึ่งใช้สำหรับการควบแน่น เมื่อส่วนระเหยของ thermotube ถูกให้ความร้อน ของเหลวในเส้นเลือดฝอยจะระเหยทันที และไอน้ำจะไหลไปยังส่วนอีกด้านหนึ่งภายใต้แรงดันขนาดเล็ก พร้อมทั้งถ่ายเทความร้อนออกไป และควบแน่นกลับเป็นของเหลว ซึ่งจะไหลกลับไปยังส่วนระเหยของ thermotube ภายใต้แรงดันเส้นเลือดฝอย

แม้ว่าเทอร์โมทิวบ์จะมีสมรรถนะในการกระจายความร้อนได้อย่างโดดเด่น แต่ก็ยังพัฒนาได้ไม่สมบูรณ์เพียงพอที่จะได้รับการยอมรับให้ใช้กับชิ้นส่วนขนาดเล็ก ดังนั้น เทอร์โมทิวบ์จึงยังมีหนทางอีกยาวไกลในการประยุกต์ใช้เพื่อการกระจายความร้อนบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

MCPCB เพื่อการกระจายความร้อนได้ดียิ่งขึ้น

• บทนำเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์โลหะ (MCPCB)

พร้อมกับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและการเพิ่มประสิทธิภาพของวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยีการแปรรูป MCPCB ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น ภายใต้สภาพแวดล้อมการใช้งานภายนอกที่เทียบเท่ากัน MCPCB แสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมกว่าบอร์ด PCB ประเภทอื่น ๆ ในด้านการกระจายความร้อน ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงระดับสูงของการประกอบอิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงในระดับโลก

MCPCB ใช้ประโยชน์จากโลหะที่มีการนำความร้อนสูง เช่น ทองแดง ในบางชั้นของแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (multilayer PCB) MCPCB ระบายความร้อนออกสู่ภายนอกผ่านแกนโลหะ หรือทำการกระจายความร้อนได้อย่างรวดเร็วโดยการเชื่อมต่อกับฮีตซิงก์ภายนอก เมื่อเป็นวงจรความหนาแน่นสูง แผงวงจรที่รองรับการประกอบแบบ SMT หรือวงจรที่มีอุปกรณ์แบบเสียบขา (through hole) จำนวนมากติดตั้งอยู่ จำเป็นต้องเลือกใช้ MCPCB ที่มีการนำความร้อนสูง แกนโลหะที่มีการกระจายความร้อนได้ดีจะถูกฝังเข้าไปในแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นก่อน โดยชั้นต่าง ๆ สามารถเชื่อมต่อกันผ่านรูทะลุชุบโลหะ (plated through holes) ที่สามารถนำความร้อนไปยังแกนโลหะและพื้นผิวของมันได้ โครงสร้างของ MCPCB สามารถแสดงได้ในรูปต่อไปนี้

• ข้อดีของแผ่นวงจรพิมพ์แบบโลหะ (MCPCB)

เมื่อเทียบกับโหมดการระบายความร้อนแบบดั้งเดิมแล้ว MCPCB มีข้อได้เปรียบที่เหนือชั้นในด้านการระบายความร้อน MCPCB สามารถเพิ่มความหนาแน่นของกำลังไฟของผลิตภัณฑ์และลดความจำเป็นในการประกอบหม้อน้ำและฮาร์ดแวร์อื่น ๆ นอกจากนี้ ขนาดของผลิตภัณฑ์ยังสามารถย่อให้เล็กลงได้พร้อมกับต้นทุนฮาร์ดแวร์และการประกอบที่ลดลง ท้ายที่สุด MCPCB ยังมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์และการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยช่วยลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้อีกด้วย

เนื่องจากมีความหนาแน่นของทองแดงสูง แผ่นวงจรพิมพ์แบบฐานโลหะ (MCPCB) จึงมีคุณภาพที่ดีกว่าแผ่นวงจรพิมพ์ประเภทอื่นอย่างเห็นได้ชัด อย่างไรก็ตาม การใช้ MCPCB จะไม่ทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นมากนัก เนื่องจากมีการใช้หม้อน้ำและอุปกรณ์เสริมที่มักติดตั้งบนแผ่นวงจรพิมพ์ประเภทอื่นน้อยกว่า มีเคล็ดลับสองข้อเกี่ยวกับ MCPCB ที่สามารถยึดถือได้เมื่อต้องตัดสินใจเลือกใช้ MCPCB:
เคล็ดลับที่ 1: ควรเลือกความหนาของแกนทองแดงที่เหมาะสม
เคล็ดลับข้อที่ 2: สามารถเลือกใช้แผ่นวงจรพิมพ์แบบแกนอะลูมิเนียมได้เช่นกัน

ติดต่อ PCBCart สำหรับความต้องการการผลิต MCPCB ของคุณ!

PCBCart มีความสามารถครบถ้วนในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบคอร์โลหะตามการออกแบบเฉพาะ รวมถึงแผ่นวงจรพิมพ์ฐานอะลูมิเนียม แผ่นวงจรพิมพ์สำหรับ LED เป็นต้น ทำไมไม่ลองขอใบเสนอราคาฟรีสำหรับ MCPCB จากเราดูล่ะ? คุณจะต้องประทับใจกับราคาของเราในการผลิต MCPCB คุณภาพสูงอย่างแน่นอน

ขอราคาในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ MCPCB

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บทนำอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมขั้นสูง
•แผ่นวงจรพิมพ์รองหลังอะลูมิเนียม: โซลูชันสำหรับงานกำลังสูงและความคลาดเคลื่อนเข้มงวด
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ LED
•ข้อดีของบริการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบฟูลฟีเจอร์ของ PCBCart