ہائی پاور پی سی بی کا تھرمل مینجمنٹ
ڈیزائنرز کو بجلی کی ضروریات کو پورا کرنے میں پیچیدہ مسائل کا سامنا کرنا پڑتا ہے، جس میں موثر تھرمل مینجمنٹ شامل ہے، جس کا آغاز PCB ڈیزائن سے ہوتا ہے۔ پورے پاور الیکٹرانک سیکٹر بشمول RF ایپلی کیشنز اور ہائی سپیڈ سگنلز پر مشتمل سسٹمز، ایسے حل کی طرف تیار ہو رہا ہے جو پہلے سے زیادہ پیچیدہ افعال پیش کرتے ہیں۔ - چھوٹی جگہیں۔ ڈیزائنرز کو سسٹم کے سائز، وزن اور بجلی کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے بڑھتے ہوئے چیلنجز کا سامنا کرنا پڑتا ہے، جس میں پرنٹ شدہ سرکٹ بورڈ کے ڈیزائن سے شروع ہونے والا موثر تھرمل مینجمنٹ شامل ہے۔
ہائی انٹیگریشن – کثافت کے ایکٹو پاور ڈیوائسز، جیسے MOSFET ٹرانزسٹرز، خاصی مقدار میں گرمی کو ختم کر سکتے ہیں اور اس لیے انہیں PCBs کی ضرورت ہوتی ہے جو گرم ترین اجزاء سے گرمی کو زمینی ہوائی جہازوں یا حرارت پھیلانے والی سطحوں پر منتقل کر سکیں، جتنا ممکن ہو موثر اور مؤثر طریقے سے کام کریں۔ تھرمل تناؤ بجلی کے آلات کی خرابی کی ایک اہم وجہ ہے، کیونکہ یہ کارکردگی میں کمی یا نظام کی ممکنہ خرابی یا ناکامی کا باعث بنتا ہے۔ آلات کی طاقت کی کثافت میں تیزی سے اضافہ اور تعدد میں مسلسل اضافہ وہ اہم وجوہات ہیں جو الیکٹرانک پرزوں کو ضرورت سے زیادہ گرم کرنے کا سبب بنتی ہیں۔ کم بجلی کے نقصانات اور بہتر تھرمل چالکتا کے ساتھ سیمی کنڈکٹرز کا تیزی سے وسیع پیمانے پر استعمال، جیسے وسیع بینڈ گیپ مواد، موثر تھرمل مینجمنٹ کی ضرورت کو ختم کرنے کے لیے خود کافی نہیں ہے۔
موجودہ سلکان پر مبنی پاور ڈیوائسز تقریباً 125˚C اور 200˚C کے درمیان جنکشن کا درجہ حرارت حاصل کرتے ہیں۔ تاہم، ڈیوائس کو اس حد سے نیچے کام کرنے کے لیے ہمیشہ ترجیح دی جاتی ہے، کیونکہ اس سے اس کی تیزی سے تنزلی اور اس کی بقایا زندگی میں کمی واقع ہوگی۔ درحقیقت، یہ اندازہ لگایا گیا ہے کہ آپریٹنگ درجہ حرارت میں 20˚C کا اضافہ، نامناسب تھرمل انتظام کی وجہ سے، اجزاء کی بقایا زندگی کو 50 فیصد تک کم کر سکتا ہے۔
لے آؤٹ نقطہ نظر:
تھرمل مینجمنٹ کے لیے ایک نقطہ نظر عام طور پر بہت سے پروجیکٹس میں اپنایا جاتا ہے معیاری شعلہ ریٹارڈنٹ لیول 4 (FR-4) کے ساتھ سبسٹریٹس کا استعمال کرنا، جو ایک سستا اور آسانی سے قابل عمل مواد ہے، جو سرکٹ لے آؤٹ کے تھرمل آپٹیمائزیشن پر توجہ مرکوز کرتا ہے۔
اہم اختیار کیے گئے اقدامات میں اضافی تانبے کی سطحوں کی فراہمی، زیادہ موٹائی کے ساتھ نشانات کا استعمال، اور ان اجزاء کے نیچے تھرمل داخل کرنے سے متعلق ہیں جو زیادہ سے زیادہ گرمی پیدا کرتے ہیں۔ ایک زیادہ جارحانہ تکنیک، جو زیادہ مقدار میں گرمی کو ختم کرنے کی صلاحیت رکھتی ہے، اس میں پی سی بی میں داخل کرنا یا باہر کی تہوں پر اصلی تانبے کے بلاکس کو لگانا شامل ہے، عام طور پر سکے کی شکل میں (اس لیے "تانبے کے سکے" کا نام)۔ تانبے کے سکوں کو الگ سے پروسیس کیا جاتا ہے اور پھر سولڈر یا پی سی بی سے براہ راست منسلک کیا جاتا ہے، یا انہیں اندرونی تہوں میں ڈال کر تھرمل ویاس کے ذریعے بیرونی تہوں سے جوڑا جا سکتا ہے۔ تصویر 1 میں ایک PCB دکھایا گیا ہے جس میں تانبے کے سکے کو رکھنے کے لیے ایک خاص گہا بنایا گیا ہے۔
ایلومینیم کے لیے 225 W/mK اور FR-4 کے لیے 0.3 W/mK کے مقابلے، تانبے کا تھرمل چالکتا کا گتانک 380 W/mK ہے۔ تانبا نسبتاً سستی دھات ہے اور پہلے ہی پی سی بی کی تیاری میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتی ہے۔ لہذا، یہ تانبے کے سکے، تھرمل ویاس، اور زمینی طیارے بنانے کے لیے بہترین انتخاب ہے، ایسے تمام حل جو گرمی کی کھپت کو بہتر بنانے کے قابل ہیں۔
بورڈ پر فعال اجزاء کی مناسب پوزیشننگ گرم دھبوں کی تشکیل کو روکنے میں ایک اہم عنصر ہے، اس طرح اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ پورے بورڈ میں گرمی کو یکساں طور پر تقسیم کیا جائے۔ اس سلسلے میں، فعال اجزاء کو پی سی بی کے ارد گرد کسی خاص ترتیب میں تقسیم نہیں کیا جانا چاہئے تاکہ کسی مخصوص علاقے میں گرم مقامات کی تشکیل سے بچا جا سکے۔ تاہم، یہ بہتر ہے کہ ایسے فعال اجزاء کو رکھنے سے گریز کیا جائے جو بورڈ کے کناروں کے قریب کافی حد تک حرارت پیدا کرتے ہیں۔ اس کے برعکس، انہیں بورڈ کے مرکز کے ہر ممکن حد تک قریب رکھا جانا چاہیے، گرمی کی یکساں تقسیم کے حق میں۔ اگر بورڈ کے کنارے کے قریب ایک اعلی طاقت والا آلہ نصب کیا جاتا ہے، تو یہ کنارے پر حرارت پیدا کرے گا، جس سے مقامی درجہ حرارت بڑھے گا۔ اگر، دوسری طرف، اسے بورڈ کے مرکز کے قریب رکھا جاتا ہے، تو حرارت سطح پر تمام سمتوں میں پھیل جائے گی، جس سے درجہ حرارت کم ہو جائے گا اور گرمی زیادہ آسانی سے ختم ہو جائے گی۔ پاور ڈیوائسز کو حساس اجزاء کے قریب نہیں رکھنا چاہیے اور ایک دوسرے سے مناسب فاصلہ رکھنا چاہیے۔
پی سی بی سبسٹریٹ کا انتخاب:
اس کی کم تھرمل چالکتا کی وجہ سے — {{0}}.2 اور 0.5 W/mK کے درمیان — FR-4 عام طور پر ان ایپلی کیشنز کے لیے موزوں نہیں ہے جس میں گرمی کی ایک بڑی مقدار کو ضائع کرنے کی ضرورت ہے۔ اعلی طاقت والے سرکٹس میں جو حرارت پیدا ہو سکتی ہے وہ کافی ہے، اس حقیقت سے مرکب ہے کہ یہ نظام اکثر سخت ماحول اور انتہائی درجہ حرارت میں کام کرتے ہیں۔ اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ متبادل سبسٹریٹ مواد کا استعمال روایتی FR-4 استعمال کرنے سے بہتر انتخاب ہو سکتا ہے۔
سیرامک مواد، مثال کے طور پر، ہائی پاور پی سی بی کے تھرمل مینجمنٹ کے لیے اہم فوائد پیش کرتے ہیں۔ بہتر تھرمل چالکتا کے علاوہ، یہ مواد بہترین مکینیکل خصوصیات پیش کرتے ہیں جو بار بار تھرمل سائیکلنگ کے دوران جمع ہونے والے تناؤ کی تلافی میں مدد کرتے ہیں۔ مزید برآں، سیرامک مواد میں کم ڈائی الیکٹرک نقصانات ہوتے ہیں جو 10 گیگا ہرٹز تک فریکوئنسی پر کام کرتے ہیں۔ اعلی تعدد کے لیے، ہائبرڈ مواد (جیسے PTFE) کا انتخاب کرنا ہمیشہ ممکن ہوتا ہے، جو تھرمل چالکتا میں معمولی کمی کے ساتھ اتنے ہی کم نقصانات پیش کرتے ہیں۔
کسی مواد کی تھرمل چالکتا جتنی زیادہ ہوگی، گرمی کی منتقلی اتنی ہی تیز ہوگی۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ ایلومینیم جیسی دھاتیں، سیرامک سے ہلکی ہونے کے علاوہ، گرمی کو اجزاء سے دور منتقل کرنے کے لیے ایک بہترین حل پیش کرتی ہیں۔ ایلومینیم خاص طور پر ایک بہترین کنڈکٹر ہے، بہترین استحکام ہے، ری سائیکل کیا جا سکتا ہے، اور غیر زہریلا ہے۔ ان کی اعلی تھرمل چالکتا کی بدولت، دھات کی پرتیں پورے بورڈ میں گرمی کو تیزی سے منتقل کرنے میں مدد کرتی ہیں۔ کچھ مینوفیکچررز دھاتی پہنے ہوئے PCBs بھی پیش کرتے ہیں، جس میں دونوں بیرونی پرتیں دھات سے ملبوس ہوتی ہیں، عام طور پر ایلومینیم یا جستی تانبے۔ قیمت فی یونٹ وزن کے نقطہ نظر سے، ایلومینیم بہترین انتخاب ہے، جبکہ تانبا زیادہ تھرمل چالکتا پیش کرتا ہے۔ ایلومینیم کو پی سی بی کی تعمیر کے لیے بڑے پیمانے پر استعمال کیا جاتا ہے جو ہائی پاور ایل ای ڈی کو سپورٹ کرتے ہیں (ایک مثال تصویر 2 میں دکھائی گئی ہے)، جس میں یہ خاص طور پر سبسٹریٹ سے دور روشنی کو منعکس کرنے کی صلاحیت کے لیے بھی مفید ہے۔
دھاتی پی سی بی، جسے انسولیٹنگ میٹل سبسٹریٹس (آئی ایم ایس) بھی کہا جاتا ہے، کو براہ راست پی سی بی میں لیمینیٹ کیا جا سکتا ہے، جس کے نتیجے میں FR-4 سبسٹریٹس کے ساتھ ایک بورڈ اور گہرائی کنٹرول روٹنگ کے ساتھ سنگل لیئر اور ڈبل لیئر ٹیکنالوجی کے ساتھ میٹل کور، جو آن بورڈ اجزاء سے گرمی کو دور اور کم نازک علاقوں میں منتقل کرنے کا کام کرتا ہے۔ IMS PCBs میں، تھرمل طور پر کنڈکٹیو لیکن برقی طور پر موصل ڈائی الیکٹرک کی ایک پتلی تہہ دھات کی بنیاد اور تانبے کے ورق کے درمیان لیمینیٹ کی جاتی ہے۔ تانبے کے ورق کو مطلوبہ سرکٹ پیٹرن میں جوڑا جاتا ہے اور دھات کی بنیاد پتلی ڈائی الیکٹرک کے ذریعے اس سرکٹ سے گرمی جذب کرتی ہے۔
IMS PCBs کے پیش کردہ اہم فوائد درج ذیل ہیں:
1. گرمی کی کھپت معیاری FR-4 تعمیرات سے نمایاں طور پر زیادہ ہے۔
2. ڈائی الیکٹرکس عام طور پر 5× سے 10× عام ایپوکسی شیشے سے زیادہ تھرمل طور پر کنڈکٹیو ہوتے ہیں۔
3. تھرمل ٹرانسفر روایتی پی سی بی کے مقابلے میں تیزی سے زیادہ موثر ہے۔
4. ایل ای ڈی ٹیکنالوجی (روشن نشانیاں، ڈسپلے اور لائٹنگ) کے علاوہ، آئی ایم ایس سرکٹ بورڈ آٹوموٹیو انڈسٹری (ہیڈ لائٹس، انجن کنٹرول، اور پاور اسٹیئرنگ)، پاور الیکٹرانکس (DC پاور سپلائی، انورٹرز، اور انجن کنٹرول) میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔ ، سوئچز میں، اور سیمی کنڈکٹر ریلے میں۔
