RF অ্যাপ্লিকেশন এবং উচ্চ-গতির সংকেত জড়িত সিস্টেম সহ সমগ্র পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স শিল্প এমন সমাধানের দিকে অগ্রসর হচ্ছে যা সবসময় ছোট জায়গায় ক্রমবর্ধমান জটিল কার্যকারিতা প্রদান করে। ডিজাইনাররা কার্যকর তাপ ব্যবস্থাপনা সহ সিস্টেমের আকার, ওজন এবং শক্তির প্রয়োজনীয়তা মেটাতে ক্রমবর্ধমান চাহিদার চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হচ্ছেন, যার ফলে পিসিবি-র নকশা শুরু হয়।
অত্যন্ত সমন্বিত সক্রিয় পাওয়ার ডিভাইস (যেমন, MOSFET ট্রানজিস্টর) প্রচুর পরিমাণে তাপ নির্গত করে, যার জন্য PCB-এর প্রয়োজন হয় যেগুলি উষ্ণতম উপাদানগুলি থেকে তাপকে মাটিতে স্থানান্তর করতে পারে বা তাপ সিঙ্ক পৃষ্ঠকে যতটা সম্ভব দক্ষতার সাথে পরিচালনা করতে পারে। তাপীয় চাপ পাওয়ার ডিভাইসের ব্যর্থতার অন্যতম প্রধান কারণ, কারণ এটি কার্যক্ষমতার অবনতি ঘটাতে পারে এবং এমনকি সিস্টেমের ব্যর্থতা বা ত্রুটির কারণ হতে পারে। ডিভাইসের শক্তি ঘনত্বের দ্রুত বৃদ্ধি এবং ক্রমবর্ধমান ফ্রিকোয়েন্সি ইলেকট্রনিক উপাদানগুলির অতিরিক্ত গরম হওয়ার প্রধান কারণ। যদিও কম বিদ্যুতের ক্ষতি এবং আরও ভাল তাপ পরিবাহিতা সহ অর্ধপরিবাহী, যেমন প্রশস্ত ব্যান্ড সামগ্রী, আরও বেশি করে ব্যবহার করা হচ্ছে, কার্যকর তাপ ব্যবস্থাপনার প্রয়োজনীয়তা দূর করার জন্য তারা নিজেরাই যথেষ্ট নয়।
বর্তমান সিলিকন-ভিত্তিক পাওয়ার ডিভাইসগুলি প্রায় 125 ডিগ্রি এবং 200 ডিগ্রির মধ্যে জংশন তাপমাত্রায় অর্জন করা যেতে পারে। যাইহোক, এই সীমিত শর্ত অতিক্রম না করে ডিভাইসটিকে সর্বদা কাজ করার অনুমতি দেওয়া বাঞ্ছনীয়, এইভাবে ডিভাইসের দ্রুত বার্ধক্য এড়ানো এবং এর অবশিষ্ট জীবনকালকে ছোট করা। প্রকৃতপক্ষে, এটি অনুমান করা হয় যে যদি অনুপযুক্ত তাপ ব্যবস্থাপনা অপারেটিং তাপমাত্রায় 20 ডিগ্রী বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করে, তাহলে উপাদানটির অবশিষ্ট জীবন 50 শতাংশের মতো হ্রাস পাবে।
লেআউট ওয়্যারিং (লেআউট) পদ্ধতি
অনেক প্রকল্পে ব্যবহৃত একটি সাধারণ তাপ ব্যবস্থাপনা পদ্ধতি হল একটি স্ট্যান্ডার্ড ফ্লেম রিটার্ড্যান্ট ক্লাস 4 (FR-4) সাবস্ট্রেটের ব্যবহার, যা একটি সস্তা এবং সহজে প্রক্রিয়াজাতকরণ উপাদান যা সার্কিট বিন্যাসের তাপীয় অপ্টিমাইজেশানের উপর ফোকাস করে।
ব্যবহৃত প্রধান ব্যবস্থাগুলির মধ্যে অতিরিক্ত তামার পৃষ্ঠতল প্রদান করা, মোটা সারিবদ্ধকরণ ব্যবহার করা এবং সবচেয়ে বেশি তাপ উৎপন্ন করে এমন উপাদানগুলির নীচে তাপ সিঙ্ক ঢোকানো জড়িত। আরও তাপ নষ্ট করার জন্য একটি আরও র্যাডিকাল কৌশল হল পিসিবি বা বাইরের স্তরে একটি বাস্তব তামার ব্লক ঢোকানো বা প্রয়োগ করা, যা সাধারণত একটি মুদ্রার আকারে থাকে, তাই নাম "তামার মুদ্রা"। তামার মুদ্রা আলাদাভাবে প্রক্রিয়াকরণের পর, এটি সোল্ডার করা যেতে পারে বা সরাসরি PCB এর সাথে সংযুক্ত করা যেতে পারে, অথবা এটি ভিতরের স্তরে ঢোকানো যেতে পারে এবং তাপ সিঙ্কের মাধ্যমে বাইরের স্তরের সাথে সংযুক্ত করা যেতে পারে। চিত্র 1 এ দেখানো PCB একটি তামার মুদ্রার জন্য একটি বিশেষ গহ্বরে তৈরি করা হয়েছে।
তামার তাপ পরিবাহিতা 380 W/mK, অ্যালুমিনিয়ামের জন্য 225 W/mK এবং FR-4-এর জন্য 0.3 W/mK এর তুলনায়। তামা একটি অপেক্ষাকৃত সস্তা ধাতু যা PCB উৎপাদনে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে; অতএব, এটি তামার মুদ্রা, তাপ সিঙ্কের গর্ত এবং স্থল স্তর তৈরির জন্য আদর্শ - সমস্ত সমাধান যা তাপ অপচয়কে উন্নত করে।
বোর্ডে সক্রিয় ডিভাইসগুলির সঠিক স্থাপন করা হট স্পটগুলি গঠন থেকে রোধ করার একটি মূল কারণ, এইভাবে তাপ বোর্ড জুড়ে যতটা সম্ভব সমানভাবে বিতরণ করা হয় তা নিশ্চিত করে। এই বিষয়ে, সক্রিয় ডিভাইসগুলি পিসিবির চারপাশে কোনও নির্দিষ্ট ক্রমে বিতরণ করা উচিত, এইভাবে নির্দিষ্ট এলাকায় হট স্পট গঠন এড়ানো উচিত। যাইহোক, বোর্ডের প্রান্তের কাছে প্রচুর তাপ উৎপন্ন করে এমন সক্রিয় ডিভাইসগুলি স্থাপন করা এড়াতে ভাল। পরিবর্তে, তাদের বোর্ডের কেন্দ্রের যতটা সম্ভব কাছাকাছি স্থাপন করা উচিত, এইভাবে অভিন্ন তাপ বিতরণের সুবিধার্থে। বোর্ডের প্রান্তের কাছে উচ্চ-ক্ষমতার ডিভাইসগুলি ইনস্টল করা থাকলে, তারা প্রান্তে তাপ জমা করবে, এইভাবে স্থানীয় তাপমাত্রা বৃদ্ধি পাবে। অন্যদিকে, যদি এগুলিকে বোর্ডের কেন্দ্রের কাছে স্থাপন করা হয়, তবে তাপ পৃষ্ঠ বরাবর সমস্ত দিক দিয়ে বিতরণ করা হবে, এটি তাপমাত্রা হ্রাস করা সহজ করে এবং তাপ বিতরণ করা সহজ করে তোলে। পাওয়ার ডিভাইসগুলি সংবেদনশীল উপাদানগুলির কাছাকাছি রাখা উচিত নয় এবং একে অপরের থেকে সঠিকভাবে ব্যবধানে রাখা উচিত।
লেআউট স্তরে গৃহীত ব্যবস্থাগুলি সক্রিয় কুলিং এবং প্যাসিভ কুলিং সিস্টেম (যেমন হিট সিঙ্ক বা ফ্যান) ব্যবহার করে আরও উন্নত করা যেতে পারে - এই ধরনের সিস্টেমগুলি সরাসরি বোর্ডে নির্গত না করে সক্রিয় ডিভাইসগুলি থেকে তাপ অপসারণ করতে পারে। সাধারণভাবে, ডিজাইনারদের অবশ্যই নির্দিষ্ট অ্যাপ্লিকেশনের প্রয়োজনীয়তা এবং উপলব্ধ বাজেটের উপর নির্ভর করে বিভিন্ন তাপ ব্যবস্থাপনা কৌশলগুলির মধ্যে সঠিক আপস খুঁজে বের করতে হবে।
PCB সাবস্ট্রেট নির্বাচন
FR{{0}} সাধারণত এমন অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য উপযুক্ত নয় যেগুলির জন্য কম তাপ পরিবাহিতা (0.2 এবং 0.5 W/mK এর মধ্যে) কারণে প্রচুর পরিমাণে তাপের অপচয় প্রয়োজন। উচ্চ-শক্তি সার্কিটে উত্পন্ন তাপ যথেষ্ট হতে পারে, এবং এই সিস্টেমগুলি প্রায়ই কঠোর পরিবেশ এবং চরম তাপমাত্রায় কাজ করে। উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সহ একটি বিকল্প সাবস্ট্রেট উপাদান ব্যবহার করা ঐতিহ্যগত FR-4 ব্যবহার করার চেয়ে ভাল পছন্দ হতে পারে।
সিরামিক উপকরণ, উদাহরণস্বরূপ, উচ্চ-শক্তি PCB-এর তাপ ব্যবস্থাপনার জন্য উল্লেখযোগ্য সুবিধা প্রদান করে। এই ধরনের উপকরণ, তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার পাশাপাশি, চমৎকার যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যও রয়েছে এবং এইভাবে বারবার তাপ সাইকেল চালানোর সময় জমা হওয়া চাপের জন্য ক্ষতিপূরণ দিতে সাহায্য করে। উপরন্তু, সিরামিক উপকরণ 10 GHz পর্যন্ত ফ্রিকোয়েন্সিতে একটি কম অস্তরক ক্ষতি আছে। উচ্চতর ফ্রিকোয়েন্সিগুলির জন্য, হাইব্রিড সামগ্রী (যেমন PTFE) বেছে নেওয়া সবসময় সম্ভব, যা একই কম ক্ষতি প্রদান করে কিন্তু তাপ পরিবাহিতা মাঝারি হ্রাস করে।
উপাদানের তাপ পরিবাহিতা যত বেশি হবে, তাপ স্থানান্তর তত দ্রুত হবে। সুতরাং, সিরামিকের তুলনায় হালকা হওয়ার পাশাপাশি, অ্যালুমিনিয়ামের মতো ধাতুগুলি উপাদানগুলি থেকে দূরে তাপ স্থানান্তর করার জন্য একটি দুর্দান্ত সমাধান দেয়। বিশেষ করে অ্যালুমিনিয়ামও একটি চমৎকার কন্ডাকটর, চমৎকার স্থায়িত্ব রয়েছে, পুনর্ব্যবহারযোগ্য এবং অ-বিষাক্ত। উচ্চ তাপ পরিবাহিতার কারণে, ধাতব স্তরটি 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। মূল্য-প্রতি-ওজন দৃষ্টিকোণ থেকে অ্যালুমিনিয়াম হল সর্বোত্তম পছন্দ, যখন তামার উচ্চ তাপ পরিবাহিতা রয়েছে। অ্যালুমিনিয়ামও ব্যাপকভাবে PCB তৈরি করতে ব্যবহৃত হয় যা উচ্চ-শক্তির LED সমর্থন করে (যেমন চিত্র 2-এর উদাহরণে দেখানো হয়েছে), যেখানে সাবস্ট্রেট থেকে দূরে আলো প্রতিফলিত করার ক্ষমতাও বিশেষভাবে কার্যকর।
এমনকি রৌপ্য, তামার থেকে প্রায় 5 শতাংশ বেশি তাপ পরিবাহিতা হওয়ার কারণে, সারিবদ্ধকরণ, ভায়াস, প্যাড এবং ধাতব স্তর তৈরি করতেও ব্যবহার করা যেতে পারে। উপরন্তু, যদি বোর্ডটি একটি আর্দ্র পরিবেশে ব্যবহার করা হয় যেখানে বিষাক্ত গ্যাস বিদ্যমান, খালি তামার প্রান্তিককরণ এবং তামার সোল্ডার প্যাডে রূপালী ফিনিশের ব্যবহার ক্ষয় প্রতিরোধে সহায়তা করবে - এই ধরনের পরিবেশে পরিচিত একটি সাধারণ হুমকি।
মেটাল PCBs, যা ইনসুলেটেড মেটাল সাবস্ট্রেটস (IMS) নামেও পরিচিত, এফআর-4 সাবস্ট্রেট এবং মেটাল কোর দিয়ে বোর্ড তৈরি করতে সরাসরি PCB-তে স্তরিত করা যেতে পারে। গভীরতা-নিয়ন্ত্রিত ওয়্যারিং সহ একক এবং ডবল লেয়ার প্রযুক্তি ব্যবহার করা হয়, যার মাধ্যমে তাপ অন-বোর্ড উপাদান থেকে কম গুরুত্বপূর্ণ এলাকায় স্থানান্তর করা যায়। আইএমএস পিসিবি-তে, তাপীয় পরিবাহী কিন্তু বৈদ্যুতিকভাবে নিরোধক ডাইলেকট্রিকের একটি পাতলা স্তর একটি ধাতব স্তর এবং একটি তামার ফয়েলের মধ্যে স্তরিত হয়। তামার ফয়েল পছন্দসই সার্কিট প্যাটার্নে খোদাই করা হয় এবং ধাতব স্তর এই পাতলা অস্তরক মাধ্যমে সার্কিট থেকে তাপ শোষণ করে।
IMS PCBs দ্বারা অফার করা প্রধান সুবিধাগুলি নিম্নরূপ।
-মানক FR-4 কাঠামোর তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে উচ্চ তাপ অপচয়।
- ডাইইলেক্ট্রিকের তাপ পরিবাহিতা সাধারণ ইপক্সি কাচের তুলনায় সাধারণত 5 থেকে 10 গুণ বেশি।
-তাপ স্থানান্তরের দক্ষতা প্রচলিত PCB-এর তুলনায় অনেক বেশি।
এলইডি প্রযুক্তি (আলোকিত চিহ্ন, প্রদর্শন এবং আলো) ছাড়াও, আইএমএস পিসিবিগুলি স্বয়ংচালিত শিল্পে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় (হেডলাইট, ইঞ্জিন নিয়ন্ত্রণ এবং পাওয়ার স্টিয়ারিং), পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স (ডিসি পাওয়ার সাপ্লাই, ইনভার্টার এবং ইঞ্জিন নিয়ন্ত্রণ), সুইচ এবং সেমিকন্ডাক্টর রিলে। .