Analiza termiczna PCB i techniki projektowania termicznego

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) to przedsiębiorstwo high-tech specjalizujące się w produkcji i sprzedaży akcesoriów telefonicznych. Naszymi głównymi produktami są ładowarki podróżne, ładowarki samochodowe, kable USB, power banki i inne produkty cyfrowe. Wszystkie produkty są bezpieczne i niezawodne, a także mają unikalny styl. Produkty posiadają certyfikaty, takie jak CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick itp. , Jeśli jesteś zainteresowany, możesz skontaktować się bezpośrednio z firmą ceo@schitec.com.

Ładuj bezpiecznie dzięki SChitec

Analiza termiczna PCB i techniki projektowania termicznego

1. Źródło ciepła PCB

Oprócz użytecznej pracy część mocy pobieranej przez zasilacz podczas pracy zamieniana jest na ciepło. Ciepło generowane przez zasilacz powoduje szybki wzrost temperatury wewnętrznej. Jeśli ciepło nie zostanie rozproszone na czas, temperatura będzie nadal rosła, a komponenty ulegną uszkodzeniu z powodu przegrzania, a niezawodność zasilacza spadnie. SMT zwiększa gęstość montażu elementów zasilacza, zmniejsza efektywny obszar rozpraszania ciepła, a wzrost temperatury zasilacza poważnie wpływa na niezawodność. Dlatego bardzo ważne są badania nad projektem termicznym płytki drukowanej zasilacza. Bezpośrednią przyczyną wzrostu temperatury płytki drukowanej zasilacza jest istnienie elementów mocy obwodu, elementy elektroniczne mają różny stopień zużycia energii, a intensywność ciepła zmienia się w zależności od zużycia energii. Dwa zjawiska wzrostu temperatury na PCB to: 1 lokalny wzrost temperatury lub wzrost temperatury na dużym obszarze; 2 krótkotrwały wzrost temperatury lub długotrwały wzrost temperatury.

Na płytce drukowanej zasilacza występują trzy główne źródła ciepła: ciepło elementów elektronicznych, ciepło samej płytki drukowanej i ciepło innych części. Spośród trzech źródeł ciepła komponent generuje największą ilość ciepła, które jest głównym źródłem ciepła, a następnie ciepłem wytwarzanym przez płytkę PCB. Dopływ ciepła zewnętrznego zależy od ogólnej konstrukcji termicznej zasilacza.

Wytwarzanie ciepła przez komponenty zależy od ich zużycia energii. Dlatego też w pierwszej kolejności przy projektowaniu należy wybierać komponenty o niskim zużyciu energii, aby zminimalizować wytwarzanie ciepła. Drugim jest ustawienie punktu pracy komponentu. Ogólnie rzecz biorąc, należy go wybrać w jego znamionowym zakresie roboczym. Podczas pracy w tym zakresie wydajność jest dobra, zużycie energii jest niewielkie, a żywotność jest długa. Samo urządzenie zasilające generuje dużą ilość ciepła i powinno być zaprojektowane tak, aby unikać pracy przy pełnym obciążeniu. W przypadku urządzeń dużej mocy należy wdrożyć zasadę obniżania wartości znamionowych projektu i odpowiednio zwiększyć bogactwo projektu, co jest korzystne dla zwiększenia stabilności, niezawodności i wytwarzania ciepła zasilacza.

Płytka drukowana składa się z przewodnika miedzianego i izolacyjnego materiału dielektrycznego i ogólnie uważa się, że izolacyjny materiał dielektryczny nie generuje ciepła. Przewodnik miedziany ma opór ze względu na samą miedź. Kiedy prąd przepływa, wytworzy się ciepło. Gdy przepływa niewielki prąd mA (miliamper) i μA (mikroamper), problem nagrzewania jest nieistotny, ale gdy prąd jest wysoki (100 mA lub więcej) Kiedy przejdziesz obok, nie możesz tego zignorować. Warto zauważyć, że gdy temperatura miedzianego przewodnika wzrośnie do 85 stopni C, sam materiał izolacyjny zaczyna żółknąć, prąd płynie dalej, aż w końcu miedziany przewodnik zostanie przepalony. W szczególności miedziany przewodnik w wewnętrznej warstwie wielowarstwowej płytki PCB jest otoczony żywicą o słabej przewodności cieplnej, a odprowadzanie ciepła jest trudne, więc temperatura nieuchronnie wzrasta, dlatego szczególną uwagę należy zwrócić na konstrukcję szerokości linii miedzi konduktor. W rzeczywistości podczas projektowania układu PCB szerokość ścieżki zależy głównie od środowiska wytwarzania i rozpraszania ciepła. Pole przekroju poprzecznego przewodnika miedzianego określa rezystancję drutu (strata sygnału spowodowana rezystancją linii w obwodzie cyfrowym jest znikoma), a przewodność cieplna przewodnika miedzianego i podłoża izolacyjnego wpływa na wzrost temperatury, co z kolei określa obciążalność prądową. Na przykład pole przekroju poprzecznego przewodnika miedzianego jest stałe. Gdy dopuszczalna wartość prądu wynosi 2A, a wzrost temperatury jest mniejszy niż 10 stopni C, szerokość linii powinna wynosić 2 mm dla folii miedzianej 35 µm i 1 mm dla folii miedzianej 70 µm. . Można stwierdzić, że gdy pole przekroju poprzecznego, dopuszczalny prąd i wartość wzrostu temperatury przewodu miedzianego są stałe, wymagania dotyczące rozpraszania ciepła można spełnić w dwóch aspektach: zwiększania grubości folii miedzianej lub zwiększania szerokości linii przewodnik miedziany.

2. Analiza termiczna obwodu

Analiza termiczna obwodu dzieli się na trzy etapy: najpierw oszacowanie ciepła wytwarzanego w komponencie, następnie oszacowanie ciepła emitowanego przez płytkę drukowaną lub radiator, a na koniec oszacowanie temperatury otoczenia, w której komponent będzie działał. Płytka drukowana lub radiator będzie rozpraszać ciepło elementu poprzez konwekcję, przewodzenie lub promieniowanie. Przewodzące rozpraszanie ciepła odbywa się głównie poprzez przewodzenie ciepła przez metalową ramę prowadzącą chipa urządzenia zasilającego i folię miedzianą na płytce drukowanej. Gdy folia miedziana PCB lub dyskretny radiator przewodzi ciepło, zapewnia wystarczająco dużą powierzchnię do konwekcyjnego rozpraszania ciepła w celu rozproszenia ciepła do powietrza.

Istnieją również pewne trudności w konwekcyjnym odprowadzaniu ciepła. W wysokich temperaturach zwiększa się opór cieplny. Z tego powodu opór cieplny jest stosowany jako parametr analizy termicznej. Jeżeli w danych elementu podana jest rezystancja termiczna Rja od złącza na zewnątrz, wartość ta wskazuje wzrost temperatury, gdy element nie jest podłączony do radiatora lub nie jest przylutowany do płytki drukowanej. Kluczowym oporem cieplnym w projektowaniu termicznym jest opór cieplny Rjb od chipa do płytki drukowanej oraz opór cieplny Rjc od chipa do powierzchni obudowy. Rja można zmierzyć za pomocą dwóch standardowych płytek PCB JEDEC, jednej dla jednostronnej płytki drukowanej, a drugiej dla wielowarstwowej płytki drukowanej. Jeśli znasz specyfikacje Rjb i Rjc, możesz oszacować rzeczywisty wzrost temperatury komponentu. Podczas pomiaru Rja na płytce PCB nie ma innych chipów. Jeśli wokół komponentów znajdują się zasilacze i inne układy rozpraszające ciepło, a płytka drukowana znajduje się w plastikowej obudowie bez wentylatora i ma ograniczoną przestrzeń, rzeczywisty wzrost temperatury będzie wyższy niż pomiar Rja. Wartość wynika z tego, że górna powierzchnia plastikowego opakowania większości komponentów prawie nie przepuszcza ciepła. Przewodność cieplna żywicy epoksydowej wynosi 0,6 ~ 1 W / (m · K) (wat na metr Kelvina), podczas gdy przewodność cieplna miedzi wynosi 400 W / (m · K). Dlatego przewodność cieplna miedzi jest 400 do 600 razy wyższa niż w przypadku tworzywa sztucznego.

Ostatnim krokiem analizy termicznej jest oszacowanie temperatury otoczenia, co jest ważne. Na przykład temperatura powietrza w laboratorium wynosi 25 stopni C, a chip na stole pracuje w temperaturze 50 stopni C. Kiedy te chipy zostaną umieszczone w temperaturze otoczenia 50 stopni C, temperatura chipa osiągnie 75 stopni C. Jednak , przy szacowaniu kroku temperatury otoczenia czasami nie da się określić warunków środowiskowych, w jakich dany element może pracować.

Analizując zużycie energii cieplnej PCB, ogólnie analizuje się je pod kątem następujących aspektów.

(1) Zużycie energii elektrycznej, to znaczy zużycie energii na jednostkę powierzchni płytki drukowanej i zużycie energii na płytce drukowanej.

(2) Struktura płytki PCB, tj. rozmiar i materiał płytki PCB.

(3) Metoda montażu PCB (np. instalacja pionowa, instalacja pozioma), stan uszczelnienia i odległość od obudowy.

(4) Promieniowanie cieplne, tj. emisyjność powierzchni PCB, różnica temperatur pomiędzy płytką PCB a powierzchnią przylegającą oraz ich temperatura bezwzględna.

(5) Przewodzenie ciepła, czyli przewodzenie grzejnika i innych elementów konstrukcyjnych montażu.

(6) Konwekcja cieplna, czyli konwekcja naturalna i konwekcja wymuszonego chłodzenia.

Analiza powyższych czynników jest skutecznym sposobem rozwiązania problemu wzrostu temperatury PCB. Często w przypadku produktu i systemu czynniki te są ze sobą powiązane i zależne. Większość czynników należy analizować w oparciu o rzeczywistą sytuację. Tylko dla konkretnej sytuacji rzeczywistej można poprawnie obliczyć lub oszacować parametry, takie jak wzrost temperatury i pobór mocy.

3. Podstawowe wymagania dotyczące projektowania termicznego PCB

Projektując płytkę PCB, szczególnie w przypadku płytek PCB do montażu powierzchniowego, należy najpierw wziąć pod uwagę problem dopasowania współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału. Istnieją trzy typy podłoży opakowaniowych dla komponentów: sztywne podłoże opakowaniowe organiczne, elastyczne podłoże opakowaniowe organiczne i podłoże opakowaniowe ceramiczne. Podłoże jest pakowane czterema metodami: technologią formowania, technologią formowania ceramiki, technologią laminowanej ceramiki i laminowanym tworzywem sztucznym. Materiały stosowane na podłoże to głównie wysokotemperaturowa żywica epoksydowa, żywica BT, poliimid, ceramika i szkło ogniotrwałe. Materiały te charakteryzują się wysoką odpornością temperaturową oraz niskimi współczynnikami rozszerzalności cieplnej w kierunkach X i Y. Wybierając materiał na PCB, należy zapoznać się z formą opakowania komponentu i materiałem podłoża, a także wziąć pod uwagę zakres zmian temperatury w procesie lutowania komponentu. Dobierz podłoże o współczynniku rozszerzalności cieplnej odpowiadającym naprężeniom termicznym wywołanym różnicą współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału. .

Wiele komponentów wykorzystuje podłoże z pakietu ceramicznego, jego współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi zazwyczaj (5 ~ 7) × 10-6 / stopień C, współczynnik rozszerzalności cieplnej bezołowiowego nośnika wiórów ceramicznych LCCC wynosi (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / stopień . Niektóre podłoża składowe wykorzystują te same materiały, co niektóre podłoża PCB, takie jak PI, BT i żywica epoksydowa odporna na ciepło. Przy wyborze podłoża płytki PCB należy uwzględnić współczynnik rozszerzalności cieplnej podłoża możliwie najbliższy współczynnikowi rozszerzalności cieplnej materiału podłoża składowego.

Przewodnik płytki PCB nagrzewa się pod wpływem przepływającego prądu, a temperatura otoczenia nie powinna przekraczać 125 stopni C (typowe wartości są wspólne, w zależności od wybranego podłoża). Ponieważ komponenty są montowane na płytce drukowanej, a także emitują część ciepła, która wpływa na temperaturę roboczą płytki drukowanej, czynniki te należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiału płytki PCB i projektu płytki PCB. Temperatura gorącego miejsca nie powinna przekraczać 125 stopni. Podłoże PCB powinno być w miarę możliwości wybierane z grubszej folii miedzianej. W szczególnych przypadkach można wybrać podłoże o niewielkim oporze cieplnym, takie jak podstawa aluminiowa lub podstawa ceramiczna, a wielowarstwowa struktura ma również wpływ na konstrukcję termiczną płytki PCB.

Obecnie szeroko stosowanymi podłożami PCB są podłoża z tkaniny epoksydowo-szklanej pokrytej miedzią lub podłoża z tkaniny szklanej z żywicy fenolowej oraz niewielka ilość podłoży pokrytych miedzią na bazie papieru. Chociaż te podłoża mają doskonałe właściwości elektryczne i właściwości przetwórcze, mają słabe odprowadzanie ciepła. Jako środek rozpraszający ciepło dla komponentów wytwarzających duże ciepło, raczej nie oczekuje się, że będzie przewodził ciepło z żywicy samej płytki PCB, ale rozpraszał ciepło z powierzchni komponentów do otaczającego powietrza. Jednakże, gdy produkty elektroniczne wkraczają w erę miniaturyzacji, montażu o dużej gęstości i montażu charakteryzującego się wysoką temperaturą, nie wystarczy rozproszenie ciepła przez bardzo małą powierzchnię elementu. Jednocześnie, ze względu na dużą liczbę elementów do montażu powierzchniowego, takich jak QFP i BGA, ciepło wytwarzane przez te elementy jest przekazywane w dużych ilościach do płytki PCB. Dlatego najlepszym sposobem rozwiązania problemu rozpraszania ciepła jest poprawa zdolności odprowadzania ciepła przez samą płytkę drukowaną w bezpośrednim kontakcie z elementami wytwarzającymi ciepło. PCB jest odprowadzana lub emitowana.

4. Projekt termiczny PCB

Projekt termiczny PCB obejmuje trzy środki: redukcję mocy, rozpraszanie ciepła i układ. Redukcja ciepła nie polega na wytwarzaniu ciepła; rozpraszanie ciepła polega na przewodzeniu lub rozpraszaniu ciepła, co nie ma wpływu na komponenty; układ jest taki, że jeśli ciepło nie jest rozpraszane, elementy wrażliwe na ciepło można odizolować według układu. Ograniczenie konsumpcji jest najbardziej podstawowym rozwiązaniem. Istnieją dwa główne podejścia do obniżania wartości znamionowych i projektowania małej mocy, ale należy je analizować w połączeniu z konkretnymi projektami. Wybierając komponenty, staraj się używać komponentów o małej emisji ciepła, takich jak rezystory chipowe, rezystory drutowe (mniej rezystorów z folii węglowej), kondensatory monolityczne, kondensatory tantalowe (mniej kondensatorów papierowych), obwody MOS, CMOS (rzadziej używane) – lampowe), urządzenia do montażu powierzchniowego itp. Oprócz wyboru komponentów o małej mocy, jednym z rozwiązań jest również kompensacja temperatury i kontrola niektórych specjalnych komponentów wrażliwych na temperaturę.

Przy obniżaniu wartości znamionowych należy wziąć pod uwagę sposób zmniejszenia zużycia. Załóżmy, że cienki drut jest nominalnie zdolny do przepuszczania prądu o natężeniu 10 A. Prąd wytwarza na nim więcej ciepła, a drut jest pogrubiony, aby zwiększyć margines. Nominalnie przechodzi przez 20A. Gdy prąd przepływa przez 10 A, straty ciepła spowodowane oporem wewnętrznym są zmniejszone, a ciepło jest małe. Co więcej, ze względu na konstrukcję obniżającą parametry znamionowe, gdy wzrasta temperatura otoczenia, w przypadku pogorszenia wydajności komponentu, ze względu na margines, nawet jeśli wydajność ulegnie pogorszeniu, wymaganie może zostać spełnione. W danych warunkach, gdy temperatura elementów obwodu wzrasta powyżej temperatury gwarantowanej niezawodności, należy podjąć odpowiednie środki odprowadzania ciepła, aby obniżyć temperaturę do zakresu roboczego niezawodności, co jest ostatecznym celem projektowania termicznego.

Rozpraszanie ciepła jest główną treścią projektu termicznego PCB. W przypadku płytek PCB istnieją trzy podstawowe rodzaje rozpraszania ciepła: przewodzenie ciepła, konwekcja i promieniowanie. Głównymi sposobami odprowadzania ciepła są przewodnictwo cieplne i konwekcja. Powszechnym sposobem rozpraszania ciepła jest zastosowanie radiatora do przewodzenia ciepła ze źródła ciepła i rozpraszania go poprzez konwekcję powietrza. Promieniowanie to wykorzystanie fal elektromagnetycznych w przestrzeni kosmicznej do rozpraszania ciepła, które charakteryzuje się niewielką ilością rozpraszania ciepła i jest zwykle stosowane jako pomocniczy sposób rozpraszania ciepła.

Celem projektowania termicznego PCB jest podjęcie odpowiednich środków i metod w celu obniżenia temperatury komponentów i temperatury PCB, tak aby system działał prawidłowo w odpowiedniej temperaturze. Z punktu widzenia ułatwienia odprowadzania ciepła, najlepiej jest montować płytkę PCB w pozycji pionowej, a odległość pomiędzy płytką PCB a płytką PCB jest na ogół nie mniejsza niż 2 cm.