Analiza termică PCB și tehnici de proiectare termică

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd(SCHitec) este o întreprindere de înaltă tehnologie specializată în producția și vânzarea de accesorii pentru telefon. Produsele noastre principale includ încărcătoare de călătorie, încărcătoare de mașină, cabluri USB, bănci de alimentare și alte produse digitale. Toate produsele sunt sigure și de încredere, cu stiluri unice. Produsele trec certificate precum CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick, etc. , Dacă sunteți interesat, puteți contacta direct ceo@schitec.com.

Încărcați-vă în siguranță cu SChitec

Analiza termică PCB și tehnici de proiectare termică

1. Sursa de căldură PCB

Pe lângă munca utilă, o parte din puterea consumată de adaptorul de alimentare în timpul funcționării este transformată în căldură. Căldura generată de adaptorul de alimentare face ca temperatura internă să crească rapid. Dacă căldura nu este disipată în timp, temperatura va continua să crească, iar componentele vor eșua din cauza supraîncălzirii, iar fiabilitatea adaptorului de alimentare va scădea. SMT crește densitatea de montare a componentelor adaptorului de alimentare, reduce aria eficientă de disipare a căldurii, iar creșterea temperaturii adaptorului de alimentare afectează serios fiabilitatea. Prin urmare, cercetarea asupra designului termic al PCB-ului adaptorului de alimentare este foarte importantă. Cauza directă a creșterii temperaturii PCB a adaptorului de alimentare se datorează existenței componentelor de alimentare ale circuitului, componentele electronice au grade diferite de consum de energie, iar intensitatea căldurii variază în funcție de consumul de energie. Cele două fenomene de creștere a temperaturii în PCB sunt: ​​1 creșterea locală a temperaturii sau creșterea temperaturii pe suprafață mare; 2 creșterea temperaturii de scurtă durată sau creșterea temperaturii de lungă durată.

Există trei surse principale de căldură în PCB-ul adaptorului de alimentare: căldura componentelor electronice, căldura PCB-ului în sine și căldura din alte părți. Dintre cele trei surse de căldură, componenta generează cea mai mare cantitate de căldură, care este principala sursă de căldură, urmată de căldura generată de PCB. Aportul extern de căldură depinde de designul termic general al adaptorului de alimentare.

Generarea de căldură a componentelor este determinată de consumul lor de energie. Prin urmare, componentele cu consum redus de energie ar trebui selectate mai întâi în proiectare pentru a minimiza generarea de căldură. Al doilea este setarea punctului de lucru al componentei. În general, ar trebui să fie selectat în intervalul de lucru nominal. Când lucrați în acest interval, performanța este bună, consumul de energie este mic și durata de viață lungă. Dispozitivul de alimentare în sine generează o cantitate mare de căldură și ar trebui să fie proiectat pentru a evita funcționarea la sarcină maximă. Pentru dispozitivele de mare putere, trebuie implementat principiul designului de derating, iar bogăția designului ar trebui crescută în mod corespunzător, ceea ce este benefic pentru creșterea stabilității, fiabilității și generării de căldură a adaptorului de alimentare.

PCB este compus dintr-un conductor de cupru și un material dielectric izolator și, în general, se consideră că materialul dielectric izolator nu generează căldură. Conductorul de cupru are o rezistență datorită cuprului însuși. Când trece curentul, va genera căldură. Când trece un curent mic de mA (miliamperi) și μA (microamperi), problema de încălzire este neglijabilă, dar când curentul este mare (100 mA sau mai mult) Când treceți, nu o puteți ignora. Este de remarcat faptul că, atunci când temperatura conductorului de cupru crește la 85 de grade C, materialul izolator în sine începe să se îngălbenească, curentul continuă să treacă și, în final, conductorul de cupru este suflat. În special, conductorul de cupru din stratul interior al PCB-ului multistrat este înconjurat de o rășină cu conductivitate termică slabă, iar disiparea căldurii este dificilă, astfel încât temperatura crește inevitabil, așa că trebuie acordată o atenție deosebită designului lățimii liniei de cupru. conductor. De fapt, la proiectarea aspectului PCB, lățimea urmei este determinată în principal de mediul de generare și disipare a căldurii. Aria secțiunii transversale a conductorului de cupru determină rezistența firului (pierderea de semnal cauzată de rezistența liniei în circuitul digital este neglijabilă), iar conductivitatea termică a conductorului de cupru și a substratului izolator afectează creșterea temperaturii, care la rândul său determină capacitatea de transport curent. De exemplu, aria secțiunii transversale a conductorului de cupru este constantă. Când valoarea admisibilă a curentului este de 2A și valoarea creșterii temperaturii este mai mică de 10 grade C, lățimea liniei trebuie proiectată să fie de 2 mm pentru folia de cupru de 35 μm și 1 mm pentru folia de cupru de 70 μm. . Se poate concluziona că, atunci când aria secțiunii transversale, curentul admisibil și valoarea de creștere a temperaturii conductorului de cupru sunt constante, cerința de disipare a căldurii poate fi satisfăcută din două aspecte: creșterea grosimii foliei de cupru sau creșterea lățimii liniei. conductor de cupru.

2. Analiza termică a circuitului

Analiza termică a circuitului este împărțită în trei etape: mai întâi estimarea căldurii generate în componentă, apoi estimarea căldurii emise de PCB sau radiator și, în final, estimarea temperaturii ambientale la care va funcționa componenta. PCB-ul sau radiatorul va disipa căldura componentei prin convecție, conducție sau radiație. Disiparea conductivă a căldurii se face în principal prin conducerea căldurii a cadrului de plumb metalic al dispozitivului de alimentare și a folia de cupru de pe PCB. Odată ce folia de cupru PCB sau radiatorul discret conduce căldura, oferă o suprafață suficient de mare pentru disiparea căldurii convective pentru a disipa căldura în aer.

Există, de asemenea, unele dificultăți în disiparea căldurii prin convecție. La temperaturi ridicate, rezistența termică crește. Din acest motiv, rezistența termică este utilizată ca parametru de analiză termică. Dacă în datele componente este dată rezistența termică Rja de la joncțiune spre exterior, valoarea indică creșterea temperaturii atunci când componenta nu este conectată la radiatorul sau nu este lipită la PCB. Rezistența termică cheie în proiectarea termică este rezistența termică Rjb de la cip la PCB și rezistența termică Rjc de la cip la suprafața pachetului. Rja poate fi măsurat cu două PCB standard JEDEC, unul pentru PCB cu o singură față și celălalt pentru PCB multistrat. Dacă aveți specificații Rjb și Rjc, puteți estima creșterea reală a temperaturii componentei. Când măsurați Rja, nu există alte cipuri pe PCB. Când există surse de alimentare și alte cipuri de disipare a căldurii în jurul componentelor și când PCB-ul este într-o carcasă din plastic fără ventilator cu spațiu limitat, creșterea reală a temperaturii va fi mai mare decât măsurarea Rja. Valoarea se datorează faptului că suprafața superioară a pachetului de plastic al majorității componentelor nu transmite aproape deloc căldură. Conductivitatea termică a rășinii epoxidice este de 0.6 ~ 1W / (m · K) (wați pe metru Kelvin), în timp ce conductivitatea termică a cuprului este de 400W / (m · K). Prin urmare, conductivitatea termică a cuprului este de 400 până la 600 de ori mai mare decât cea a plasticului.

Pasul final în analiza termică este estimarea temperaturii ambiante, ceea ce este important. De exemplu, temperatura aerului din laborator este de 25 grade C, iar cipul de pe bancă funcționează la 50 grade C. Când aceste cipuri sunt plasate la o temperatură ambientală de 50 grade C, temperatura cipului va ajunge la 75 grade C. Cu toate acestea , în estimarea treaptei de temperatură ambientală, uneori este imposibil să se determine condițiile de mediu în care poate funcționa componenta.

Atunci când se analizează consumul de energie termică PCB, acesta este, în general, analizat din următoarele aspecte.

(1) Consumul de energie electrică, adică consumul de energie pe unitate de suprafață a PCB și consumul de energie pe PCB.

(2) Structura PCB-ului, adică dimensiunea și materialul PCB-ului.

(3) Metoda de montare PCB (cum ar fi instalarea verticală, instalarea orizontală), starea de etanșare și distanța față de carcasă.

(4) Radiația termică, adică emisivitatea suprafeței PCB, diferența de temperatură dintre PCB și suprafața adiacentă și temperatura absolută a acestora.

(5) Conducerea căldurii, adică conducția radiatorului și a altor componente structurale de montaj.

(6) Convecția termică, adică convecția naturală și convecția cu răcire forțată.

Analiza factorilor de mai sus este o modalitate eficientă de a rezolva creșterea temperaturii PCB. Adesea, într-un produs și sistem, acești factori sunt interconectați și dependenți. Majoritatea factorilor ar trebui analizați în funcție de situația actuală. Doar pentru o anumită situație reală pot fi calculați sau estimați corect parametrii precum creșterea temperaturii și consumul de energie.

3. Cerințe de bază pentru proiectarea termică PCB

Atunci când proiectați un PCB, în special pentru proiectarea PCB-ului cu montare la suprafață, trebuie luată în considerare mai întâi problema de potrivire a coeficientului de dilatare termică a materialului. Există trei tipuri de substraturi de ambalaj pentru componente: substrat de pachet organic rigid, substrat de pachet organic flexibil și substrat de pachet ceramic. Substratul este ambalat prin patru metode: tehnologie de turnare, tehnologie ceramică turnată, tehnologie ceramică laminată și plastic laminat. Materialele utilizate pentru substrat sunt în principal rășină epoxidice de temperatură înaltă, rășină BT, poliimidă, ceramică și sticlă refractară. Aceste materiale au rezistență la temperatură ridicată și coeficienți de dilatare termică scăzuti în direcțiile X și Y. Atunci când selectați materialul PCB, ar trebui să înțelegeți forma ambalajului componentei și materialul substratului și să luați în considerare intervalul de variație de temperatură a procesului de lipire a componentelor. Selectați substratul cu coeficientul de dilatare termică pentru a se potrivi cu solicitarea termică cauzată de diferența de coeficient de dilatare termică a materialului. .

Multe componente folosesc substrat ceramic, coeficientul său de dilatare termică este de obicei (5 ~ 7) × 10-6 / grad C, coeficientul de dilatare termică al purtătorului de cip ceramic fără plumb LCCC este (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / grad . Unele substraturi componente folosesc aceleași materiale ca unele substraturi PCB, cum ar fi PI, BT și epoxidice rezistent la căldură. La selectarea substratului PCB, coeficientul de dilatare termică al substratului trebuie considerat cât mai aproape posibil de coeficientul de dilatare termică al materialului substratului component.

Conductorul PCB este o creștere a temperaturii din cauza curentului care trece, iar temperatura ambiantă nu trebuie să depășească 125 grade C (valorile tipice sunt comune, în funcție de substratul selectat). Deoarece componentele sunt montate pe PCB și emit, de asemenea, o parte din căldură care afectează temperatura de funcționare a PCB, acești factori ar trebui să fie luați în considerare atunci când selectați materialul PCB și designul PCB. Temperatura punctului fierbinte nu trebuie să depășească 125 de grade. Substratul PCB trebuie selectat cu o folie de cupru mai groasă pe cât posibil. În cazuri speciale, poate fi selectat un substrat cu o rezistență termică mică, cum ar fi o bază de aluminiu sau o bază ceramică, iar structura multistrat contribuie și ea la designul termic al PCB-ului.

În prezent, substraturile PCB utilizate pe scară largă sunt substraturi din pânză de sticlă epoxidică placate cu cupru sau substraturi din pânză de sticlă cu rășină fenolică și o cantitate mică de substraturi placate cu cupru pe bază de hârtie. Deși aceste substraturi au proprietăți electrice și proprietăți de procesare excelente, au o disipare slabă a căldurii. Ca mijloc de disipare a căldurii pentru componentele cu generare mare de căldură, nu este de așteptat să conducă căldura din rășina PCB-ului în sine, ci să disipeze căldura de la suprafața componentelor în aerul din jur. Cu toate acestea, pe măsură ce produsele electronice intră în era miniaturizării, montării de înaltă densitate și asamblarii cu căldură ridicată, nu este suficient să disipați căldura cu o suprafață foarte mică a componentelor. În același timp, datorită numărului mare de componente de montare la suprafață, cum ar fi QFP și BGA, căldura generată de componente este transferată la PCB în cantități mari. Prin urmare, cea mai bună modalitate de a rezolva disiparea căldurii este de a îmbunătăți capacitatea de disipare a căldurii a PCB-ului însuși în contact direct cu componentele generatoare de căldură. PCB-ul este condus sau emis.

4. Proiectare termică PCB

Există trei măsuri în designul termic al PCB: reducerea puterii, disiparea căldurii și aspectul. Reducerea căldurii nu este de a genera căldură; disiparea căldurii este de a conduce sau de a disipa căldura, care nu afectează componentele; aspectul este că, dacă căldura nu este disipată, componentele sensibile la căldură pot fi izolate prin layout. Reducerea consumului este soluția cea mai fundamentală. Există două abordări principale pentru derating și proiectare de putere redusă, dar acestea trebuie analizate în combinație cu proiecte specifice. Când selectați componente, încercați să utilizați componente cu generare mică de căldură, cum ar fi rezistențe cu cip, rezistențe bobinate (mai puține rezistențe cu peliculă de carbon), condensatoare monolitice, condensatoare cu tantal (mai puține condensatoare de hârtie), circuite MOS, CMOS (mai puțin utilizate) 锗 tub), dispozitive de montare la suprafață etc. Pe lângă selectarea componentelor cu putere redusă, compensarea temperaturii și controlul unor componente speciale sensibile la temperatură este, de asemenea, una dintre soluții.

Deratingul trebuie să ia în considerare modalitatea de reducere a consumului. Să presupunem că un fir subțire este capabil nominal să treacă 10 A de curent. Curentul generează mai multă căldură pe el, iar firul este îngroșat pentru a crește marginea. Este trecut nominal prin 20A. Când curentul trece prin 10A, pierderea de căldură datorată rezistenței interne este redusă, iar căldura este mică. Mai mult, din cauza designului de derating, atunci când temperatura ambientală crește, în cazul în care performanța componentei este degradată, din cauza marjei, chiar dacă performanța este degradată, cerința poate fi satisfăcută. În condițiile date, atunci când temperatura componentelor din circuit crește peste temperatura garantată de fiabilitate, trebuie luate măsuri adecvate de disipare a căldurii pentru a scădea temperatura la intervalul de funcționare de fiabilitate, care este scopul final al proiectării termice.

Disiparea căldurii este conținutul principal al designului termic al PCB. Pentru PCB-uri, există trei tipuri de bază de disipare a căldurii: conducție termică, convecție și radiație. Conducția termică și convecția sunt principalele mijloace de disipare a căldurii. Modul comun de disipare a căldurii este utilizarea unui radiator pentru a conduce căldura de la sursa de căldură și a o disipa prin convecție a aerului. Radiația este utilizarea undelor electromagnetice în spațiu pentru a disipa căldura, care are o cantitate mică de disipare a căldurii și este de obicei folosită ca mijloc auxiliar de disipare a căldurii.

Scopul proiectării termice PCB este de a lua măsuri și metode adecvate pentru a reduce temperatura componentelor și temperatura PCB, astfel încât sistemul să funcționeze corect la temperatura potrivită. Din perspectiva facilitării disipării căldurii, PCB este de preferință montat vertical, iar distanța dintre PCB și PCB este în general nu mai mică de 2 cm.