PCB termoanalüüsi ja termilise projekteerimise tehnikad

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) on kõrgtehnoloogiline ettevõte, mis on spetsialiseerunud telefonitarvikute tootmisele ja müügile. Meie põhitoodete hulka kuuluvad reisilaadijad, autolaadijad, USB-kaablid, toitepangad ja muud digitaalsed tooted. Kõik tooted on turvalised ja usaldusväärsed ning ainulaadsete stiilidega. Tooted läbivad sertifikaadid nagu CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick jne. , Kui olete huvitatud, võite otse ühendust võtta ceo@schitec.com-ga.

Jätkake SCiteciga laadimist ohutult

PCB termoanalüüsi ja termilise projekteerimise tehnikad

1. PCB soojusallikas

Lisaks kasulikule tööle muudetakse osa toiteadapteri töö ajal tarbitud võimsusest soojuseks. Toiteadapteri tekitatud soojus põhjustab sisetemperatuuri kiire tõusu. Kui soojust õigeaegselt ei hajutata, jätkab temperatuur tõusmist ja komponendid tõrjuvad ülekuumenemise tõttu ning toiteadapteri töökindlus väheneb. SMT suurendab toiteadapteri komponentide paigaldustihedust, vähendab efektiivset soojuse hajumise ala ja toiteadapteri temperatuuri tõus mõjutab tõsiselt töökindlust. Seetõttu on toiteadapteri PCB termilise disaini uurimine väga oluline. Toiteadapteri PCB temperatuuri tõusu otsene põhjus on vooluahela toitekomponentide olemasolu, elektroonikakomponentide energiatarbimise määr on erinev ja soojusintensiivsus varieerub sõltuvalt energiatarbimisest. PCB-de temperatuuritõusu kaks nähtust on: 1 lokaalne temperatuuri tõus või temperatuuri tõus suurel alal; 2 lühiajaline temperatuuri tõus või pikaajaline temperatuuri tõus.

Toiteadapteri PCB-l on kolm peamist soojusallikat: elektroonikakomponentide soojus, trükkplaadi enda soojus ja teistest osadest tulenev soojus. Kolmest soojusallikast toodab komponent suurima soojushulga, mis on peamine soojusallikas, millele järgneb PCB tekitatud soojus. Väline soojussisend sõltub toiteadapteri üldisest soojuskonstruktsioonist.

Komponentide soojuse eraldumise määrab nende energiatarbimine. Seetõttu tuleks soojuse tekke minimeerimiseks projekteerimisel kõigepealt valida väikese energiatarbimisega komponendid. Teine on komponendi tööpunkti seadmine. Üldjuhul tuleks see valida selle töövahemiku piires. Selles vahemikus töötades on jõudlus hea, energiatarve väike ja kasutusiga pikk. Toiteseade ise toodab suurel hulgal soojust ja see peaks olema konstrueeritud nii, et see väldiks täiskoormusel töötamist. Suure võimsusega seadmete puhul tuleks rakendada disaini vähendamise põhimõtet ja disaini rikkust vastavalt suurendada, mis on kasulik toiteadapteri stabiilsuse, töökindluse ja soojuse tootmise suurendamiseks.

PCB koosneb vaskjuhist ja isoleerivast dielektrilisest materjalist ning üldiselt arvatakse, et isoleeriv dielektriline materjal ei tekita soojust. Vaskjuhi takistus on tingitud vasest endast. Kui vool läbib, tekitab see soojust. Kui läbitakse väike vool mA (milliamper) ja μA (mikroamper), on kütteprobleem tühine, kuid kui vool on suur (100 mA või rohkem) Möödumisel ei saa te seda ignoreerida. Tasub teada, et kui vaskjuhi temperatuur tõuseb 85 kraadini C, hakkab isoleermaterjal ise kollaseks muutuma, vool jätkub ja lõpuks puhutakse vaskjuht läbi. Eelkõige on mitmekihilise PCB sisemise kihi vaskjuht ümbritsetud halva soojusjuhtivusega vaiguga ja soojuse hajumine on keeruline, mistõttu temperatuur paratamatult tõuseb, mistõttu tuleks erilist tähelepanu pöörata vase joone laiusele. dirigent. Tegelikult määrab PCB paigutuse kujundamisel jälje laiuse peamiselt soojuse tekitamise ja soojuse hajumise keskkond. Vaskjuhi ristlõikepindala määrab traadi takistuse (liinitakistusest põhjustatud signaalikadu digitaalses vooluringis on tühine) ning vaskjuhi ja isolatsioonisubstraadi soojusjuhtivus mõjutab temperatuuri tõusu, mis omakorda määrab praeguse kandevõime. Näiteks vaskjuhi ristlõikepindala on konstantne. Kui lubatud voolu väärtus on 2A ja temperatuuri tõusu väärtus on madalam kui 10 °C, peaks joone laius olema 35 μm vaskfooliumi puhul 2 mm ja 70 μm vaskfooliumi puhul 1 mm. . Võib järeldada, et kui vaskjuhi ristlõikepindala, lubatud voolutugevus ja temperatuuri tõusu väärtus on konstantsed, saab soojuse hajumise nõude rahuldada kahest aspektist, milleks on vaskfooliumi paksuse suurendamine või juhtme laiuse suurendamine. vaskjuht.

2. Vooluahela termoanalüüs

Kontuuri termiline analüüs jaguneb kolmeks etapiks: kõigepealt hinnatakse komponendis tekkivat soojust, seejärel hinnatakse PCB või jahutusradiaatori poolt eraldatavat soojust ja lõpuks hinnatakse ümbritseva õhu temperatuur, mille juures komponent töötab. PCB või jahutusradiaator hajutab komponendi soojuse konvektsiooni, juhtivuse või kiirguse teel. Juhtiv soojuse hajumine toimub peamiselt toiteseadme kiibi metallist pliiraami ja PCB vaskfooliumi soojusjuhtivuse kaudu. Kui PCB vaskfoolium või diskreetne jahutusradiaator juhib soojust, annab see piisavalt suure pinna konvektiivseks soojuse hajutamiseks, et hajutada soojust õhku.

Mõned raskused on ka konvektsioonisoojuse hajutamisel. Kõrgel temperatuuril soojustakistus suureneb. Sel põhjusel kasutatakse termilise analüüsi parameetrina soojustakistust. Kui komponendi andmetes on antud soojustakistus Rja ristmikult väljapoole, näitab väärtus temperatuuri tõusu, kui komponent ei ole jahutusradiaatoriga ühendatud või pole trükkplaadile joodetud. Termilise disaini võtmetähtsusega soojustakistus on soojustakistus Rjb kiibilt PCB-le ja soojustakistus Rjc kiibilt pakendi pinnale. Rja saab mõõta kahe JEDEC standardse PCB-ga, millest üks on ühepoolse ja teine ​​mitmekihilise PCB jaoks. Kui teil on Rjb ja Rjc spetsifikatsioonid, saate hinnata komponendi tegelikku temperatuuritõusu. Rja mõõtmisel pole trükkplaadil muid kiipe. Kui komponentide ümber on toiteallikad ja muud soojust hajutavad kiibid ning kui PCB on ventilaatorita plastkorpuses ja piiratud ruumiga, on tegelik temperatuuritõus suurem kui Rja mõõtmisel. Väärtus tuleneb sellest, et enamiku komponentide plastpakendi pealmine pind ei lase peaaegu üldse soojust. Epoksüvaigu soojusjuhtivus on 0,6 ~ 1W / (m · K) (vatti kelvini meetri kohta), vase soojusjuhtivus on aga 400 W / (m · K). Seetõttu on vase soojusjuhtivus 400–600 korda kõrgem kui plastil.

Termilise analüüsi viimane etapp on ümbritseva õhu temperatuuri hindamine, mis on oluline. Näiteks labori õhutemperatuur on 25 °C ja pingil olev kiip töötab 50 °C juures. Kui need kiibid asetada ümbritseva õhu temperatuurile 50 °C, jõuab kiibi temperatuur 75 °C-ni. , on ümbritseva keskkonna temperatuuri etapi hindamisel mõnikord võimatu määrata keskkonnatingimusi, milles komponent võib töötada.

PCB soojusenergia tarbimise analüüsimisel analüüsitakse seda üldiselt järgmistest aspektidest.

(1) Elektrienergia tarbimine, st voolutarve trükkplaadi pindalaühiku kohta ja voolutarve PCB-l.

(2) PCB struktuur ehk trükkplaadi suurus ja materjal.

(3) PCB kinnitusviis (nt vertikaalne paigaldus, horisontaalne paigaldus), tihendusseisund ja kaugus korpusest.

(4) Soojuskiirgus ehk PCB pinna emissiivsus, PCB ja külgneva pinna temperatuuride erinevus ning nende absoluutne temperatuur.

(5) Soojusjuhtivus, st radiaatori ja muude kinnituskonstruktsioonikomponentide juhtivus.

(6) Termiline konvektsioon, st loomulik konvektsioon ja sundjahutuskonvektsioon.

Ülaltoodud tegurite analüüs on tõhus viis PCB temperatuuritõusu lahendamiseks. Sageli on need tegurid tootes ja süsteemis omavahel seotud ja sõltuvad. Enamikke tegureid tuleks analüüsida vastavalt tegelikule olukorrale. Ainult konkreetse tegeliku olukorra jaoks saab selliseid parameetreid nagu temperatuuri tõus ja energiatarve õigesti arvutada või hinnata.

3. Põhinõuded PCB soojusdisainile

PCB projekteerimisel, eriti pindpaigaldatava PCB projekteerimisel, tuleks esmalt arvestada materjali soojuspaisumisteguri sobitamise probleemiga. Komponentide jaoks on kolme tüüpi pakendamisaluseid: jäik orgaaniline pakendisubstraat, painduv orgaanilise pakendi põhimik ja keraamiline pakendisubstraat. Substraat on pakendatud neljal meetodil: vormimistehnoloogia, vormitud keraamika tehnoloogia, lamineeritud keraamika tehnoloogia ja lamineeritud plastik. Substraadiks kasutatavad materjalid on peamiselt kõrge temperatuuriga epoksüvaiku, BT vaiku, polüimiid, keraamika ja tulekindel klaas. Nendel materjalidel on kõrge temperatuuritaluvus ja madalad soojuspaisumistegurid X- ja Y-suunas. PCB materjali valimisel peaksite mõistma komponendi pakendi vormi ja aluspinna materjali ning arvestama komponentide jootmisprotsessi temperatuurimuutuste vahemikuga. Valige soojuspaisumisteguriga substraat, mis vastab materjali soojuspaisumisteguri erinevusest põhjustatud termilisele pingele. .

Paljud komponendid kasutavad keraamilist pakendisubstraati, selle soojuspaisumise koefitsient on tavaliselt (5–7) × 10-6 / kraadi C, pliita keraamilise kiibikandja LCCC soojuspaisumistegur on (3,5–7–8) × {{7 }} / kraad . Mõned komponendi substraadid kasutavad samu materjale nagu mõned PCB substraadid, nagu PI, BT ja kuumakindel epoksü. PCB substraadi valimisel tuleb arvestada aluspinna soojuspaisumisteguriga, mis on võimalikult lähedane komponendi substraadi materjali soojuspaisumistegurile.

PCB juht on läbivast voolust tingitud temperatuuri tõus ja ümbritseva õhu temperatuur ei tohiks ületada 125 kraadi C (tüüpilised väärtused on tavalised, olenevalt valitud substraadist). Kuna komponendid on paigaldatud PCB-le ja eraldavad ka osa soojusest, mis mõjutab PCB töötemperatuuri, tuleks neid tegureid PCB materjali ja trükkplaadi kujunduse valimisel arvesse võtta. Kuuma koha temperatuur ei tohiks ületada 125 kraadi. PCB substraat tuleks valida võimalikult paksema vaskfooliumiga. Erijuhtudel saab valida väikese soojustakistusega aluspinna, näiteks alumiinium- või keraamilise aluse, ning mitmekihiline struktuur aitab kaasa ka PCB termilisele disainile.

Praegu laialdaselt kasutatavad PCB-substraadid on vasega kaetud epoksüklaasist riidest substraadid või fenoolvaigust klaasriidest aluspinnad ja väike kogus paberipõhiseid vaskkattega substraate. Kuigi neil substraatidel on suurepärased elektrilised ja töötlemisomadused, on neil halb soojuse hajumine. Kõrge soojust tekitavate komponentide soojust hajutava vahendina ei eeldata, et see juhib soojust PCB enda vaigust, vaid hajutab soojust komponentide pinnalt ümbritsevasse õhku. Kuna aga elektroonikatooted jõuavad miniaturiseerimise, suure tihedusega paigaldamise ja suure kuumusega kokkupanemise ajastusse, ei piisa soojuse hajumisest väga väikese komponendi pindala võrra. Samal ajal kandub pindpaigalduskomponentide, nagu QFP ja BGA, suure hulga tõttu komponentide tekitatud soojus suurtes kogustes PCB-le. Seetõttu on parim viis soojuse hajumise lahendamiseks parandada PCB enda soojuse hajumise võimet otseses kokkupuutes soojust tootvate komponentidega. PCB juhitakse välja või emiteeritakse.

4. PCB termiline disain

PCB termilises disainis on kolm meedet: võimsuse vähendamine, soojuse hajumine ja paigutus. Soojuse vähendamise eesmärk ei ole soojuse tekitamine; soojuse hajumine on soojuse juhtimiseks või hajutamiseks, mis ei mõjuta komponente; paigutus on selline, et kui soojust ei hajutata, saab soojustundlikud komponendid paigutuse abil isoleerida. Tarbimise vähendamine on kõige põhimõttelisem lahendus. Vähendamisel ja väikese võimsusega disainil on kaks peamist lähenemisviisi, kuid neid tuleb analüüsida koos konkreetsete konstruktsioonidega. Komponentide valimisel proovige kasutada väikese soojuse tekkega komponente, nagu kiiptakistid, traattakistid (vähem süsinikkile takistid), monoliitkondensaatorid, tantaalkondensaatorid (vähem paberikondensaatoreid), MOS-, CMOS-ahelad (vähem kasutatud)- toru), pinnale paigaldatavad seadmed jne. Lisaks väikese võimsusega komponentide valikule on üheks lahenduseks ka temperatuuri kompenseerimine ja mõningate temperatuuritundlike erikomponentide juhtimine.

Vähendamisel tuleb kaaluda tarbimise vähendamise viisi. Oletame, et õhuke traat on nominaalselt võimeline läbima 10A voolu. Vool tekitab sellel rohkem soojust ja traati pakseneb, et varu suurendada. See juhitakse nominaalselt läbi 20A. Voolu läbimisel 10A väheneb sisetakistusest tingitud soojuskadu ja soojus on väike. Veelgi enam, kui keskkonna temperatuur tõuseb, kui komponendi jõudlus on halvenenud, siis marginaali tõttu, isegi kui jõudlus on halvenenud, võib nõue olla täidetud, kui keskkonna temperatuur tõuseb. Antud tingimustes, kui ahela komponentide temperatuur tõuseb üle töökindluse tagatud temperatuuri, tuleks võtta asjakohaseid soojuse hajumise meetmeid, et alandada temperatuuri töökindluse töövahemikku, mis on soojuse projekteerimise lõppeesmärk.

Soojuse hajumine on PCB termilise disaini põhisisu. PCBde puhul on kolm peamist soojuse hajumise tüüpi: soojusjuhtivus, konvektsioon ja kiirgus. Soojusjuhtivus ja konvektsioon on peamised soojuse hajumise vahendid. Levinud viis soojuse hajutamiseks on kasutada jahutusradiaatorit, et juhtida soojust soojusallikast ja hajutada see õhu konvektsiooni teel. Kiirgus on elektromagnetlainete kasutamine ruumis soojuse hajutamiseks, millel on väike soojuseraldus ja mida tavaliselt kasutatakse soojuse hajutamise abivahendina.

PCB termodisaini eesmärk on võtta asjakohaseid meetmeid ja meetodeid komponentide temperatuuri ja PCB temperatuuri alandamiseks, et süsteem töötaks korralikult õigel temperatuuril. Soojuse hajumise hõlbustamise seisukohast on PCB eelistatavalt paigaldatud püsti ning PCB ja PCB vaheline kaugus ei ole üldiselt väiksem kui 2 cm.