Termična analiza PCB in tehnike termičnega načrtovanja

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) je visokotehnološko podjetje, specializirano za proizvodnjo in prodajo telefonskih dodatkov. Naši glavni izdelki vključujejo potovalne polnilnike, avtomobilske polnilnike, kable USB, napajalnike in druge digitalne izdelke. Vsi izdelki so varni in zanesljivi, z edinstvenimi slogi. Izdelki imajo certifikate, kot so CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick itd. , Če vas zanima, se lahko obrnete neposredno na ceo@schitec.com.

Polnite varno s SChitec

Termična analiza PCB in tehnike termičnega načrtovanja

1. Vir toplote PCB

Poleg koristnega dela se del energije, ki jo porabi napajalnik med delovanjem, pretvori v toploto. Toplota, ki jo ustvari napajalnik, povzroči hitro povišanje notranje temperature. Če se toplota ne odvaja pravočasno, bo temperatura še naprej naraščala, komponente bodo odpovedale zaradi pregrevanja, zanesljivost napajalnika pa se bo zmanjšala. SMT poveča gostoto vgradnje komponent napajalnika, zmanjša učinkovito območje odvajanja toplote, dvig temperature napajalnika pa resno vpliva na zanesljivost. Zato so raziskave toplotne zasnove PCB napajalnika zelo pomembne. Neposredni vzrok za povišanje temperature tiskanega vezja napajalnika je posledica obstoja napajalnih komponent vezja, elektronske komponente imajo različne stopnje porabe energije, intenzivnost toplote pa se spreminja glede na porabo energije. Dva pojava dviga temperature v PCB sta: 1 lokalni dvig temperature ali dvig temperature na velikem območju; 2 kratkotrajno povišanje temperature ali dolgotrajno povišanje temperature.

V tiskanem vezju napajalnika so trije glavni viri toplote: toplota elektronskih komponent, toplota samega tiskanega vezja in toplota drugih delov. Med tremi viri toplote največjo količino toplote proizvede komponenta, ki je glavni vir toplote, sledi pa ji toplota, ki jo ustvari PCB. Zunanja vhodna toplota je odvisna od celotne toplotne zasnove napajalnika.

Proizvajanje toplote komponent je odvisno od njihove porabe energije. Zato je treba pri načrtovanju najprej izbrati komponente z nizko porabo energije, da se zmanjša nastajanje toplote. Drugi je nastavitev delovne točke komponente. Na splošno ga je treba izbrati znotraj nazivnega delovnega območja. Pri delu v tem območju je zmogljivost dobra, poraba energije majhna in življenjska doba dolga. Napajalna naprava sama proizvaja veliko količino toplote in mora biti zasnovana tako, da se izogne ​​delovanju pri polni obremenitvi. Pri napravah z visoko močjo je treba uvesti načelo zasnove zmanjšanja moči in ustrezno povečati oblikovno bogastvo, kar je koristno za povečanje stabilnosti, zanesljivosti in ustvarjanja toplote napajalnika.

PCB je sestavljen iz bakrenega prevodnika in izolacijskega dielektričnega materiala, na splošno pa velja, da izolacijski dielektrični material ne ustvarja toplote. Bakreni prevodnik ima upornost zaradi samega bakra. Ko tok teče, bo proizvedel toploto. Ko prehaja majhen tok mA (miliamper) in μA (mikroamper), je problem segrevanja zanemarljiv, ko pa je tok visok (100 mA ali več), ko prehajate, tega ne morete prezreti. Omeniti velja, da ko se temperatura bakrenega vodnika dvigne na 85 stopinj C, sam izolacijski material začne rumeneti, tok še naprej teče in končno se bakreni vodnik prepiha. Zlasti bakreni prevodnik v notranji plasti večplastnega tiskanega vezja je obdan s smolo, ki ima slabo toplotno prevodnost, zato je odvajanje toplote težko, zato se temperatura neizogibno dvigne, zato je treba posebno pozornost nameniti zasnovi širine črte bakra. dirigent. Pravzaprav pri načrtovanju postavitve tiskanega vezja širino sledi v glavnem določa okolje za ustvarjanje in odvajanje toplote. Prečni prerez bakrenega vodnika določa upornost žice (izguba signala zaradi upora linije v digitalnem vezju je zanemarljiva), toplotna prevodnost bakrenega vodnika in izolacijskega substrata pa vpliva na dvig temperature, kar posledično določa trenutno nosilnost. Na primer, površina prečnega prereza bakrenega vodnika je konstantna. Kadar je dovoljena vrednost toka 2 A in je vrednost dviga temperature nižja od 10 stopinj C, mora biti širina črte 2 mm za bakreno folijo 35 μm in 1 mm za bakreno folijo 70 μm. . Sklenemo lahko, da ko so površina prečnega prereza, dovoljeni tok in vrednost dviga temperature bakrenega vodnika konstantni, je lahko zahteva po odvajanju toplote izpolnjena z dveh vidikov povečanja debeline bakrene folije ali povečanja širine črte bakreni vodnik.

2. Termična analiza vezja

Toplotna analiza vezja je razdeljena na tri korake: najprej ocenimo toploto, proizvedeno v komponenti, nato ocenimo toploto, ki jo oddaja tiskano vezje ali hladilno telo, in na koncu ocenimo temperaturo okolja, pri kateri bo komponenta delovala. PCB ali hladilno telo bo odvajalo toploto komponente s konvekcijo, prevodnostjo ali sevanjem. Prevodno odvajanje toplote je v glavnem preko toplotne prevodnosti kovinskega svinčenega okvirja čipa napajalne naprave in bakrene folije na tiskanem vezju. Ko bakrena folija PCB ali ločeno hladilno telo prevaja toploto, zagotavlja dovolj veliko površino za konvektivno odvajanje toplote za odvajanje toplote v zrak.

Nekaj ​​težav je tudi pri konvekcijskem odvajanju toplote. Pri visokih temperaturah se toplotna odpornost poveča. Zaradi tega se toplotna upornost uporablja kot parameter termične analize. Če je toplotni upor Rja od stičišča navzven podan v podatkih o komponenti, vrednost označuje dvig temperature, ko komponenta ni priključena na hladilno telo ali ni spajkana na tiskano vezje. Ključni toplotni upor pri toplotnem oblikovanju je toplotni upor Rjb od čipa do tiskanega vezja in toplotni upor Rjc od čipa do površine paketa. Rja je mogoče izmeriti z dvema tiskanima vezjema standarda JEDEC, enim za enostransko vezje in drugim za večplastno vezje. Če imate specifikaciji Rjb in Rjc, lahko ocenite pravi dvig temperature komponente. Pri merjenju Rja na tiskanem vezju ni drugih čipov. Če so okoli komponent napajalniki in drugi čipi, ki odvajajo toploto, in ko je PCB v plastičnem ohišju brez ventilatorja z omejenim prostorom, bo dejanski dvig temperature višji od meritve Rja. Vrednost je v tem, da zgornja površina plastične embalaže večine komponent skoraj ne prepušča toplote. Toplotna prevodnost epoksidne smole je 0.6 ~ 1W / (m · K) (vati na meter Kelvina), medtem ko je toplotna prevodnost bakra 400 W / (m · K). Zato je toplotna prevodnost bakra 400- do 600-krat višja kot pri plastiki.

Zadnji korak pri toplotni analizi je ocena temperature okolice, ki je pomembna. Na primer, temperatura zraka v laboratoriju je 25 stopinj C, čip na mizi pa deluje pri 50 stopinjah C. Ko so ti čipi postavljeni na temperaturo okolja 50 stopinj C, bo temperatura čipa dosegla 75 stopinj C. Vendar , pri oceni koraka temperature okolice je včasih nemogoče določiti okoljske pogoje, v katerih lahko komponenta deluje.

Pri analizi porabe toplotne energije PCB se na splošno analizira z naslednjih vidikov.

(1) Poraba električne energije, to je poraba energije na enoto površine tiskanega vezja in poraba energije na tiskanem vezju.

(2) Struktura tiskanega vezja, tj. velikost in material tiskanega vezja.

(3) Način namestitve PCB (na primer navpična namestitev, vodoravna namestitev), stanje tesnjenja in oddaljenost od ohišja.

(4) Toplotno sevanje, tj. emisijska sposobnost površine PCB, temperaturna razlika med PCB in sosednjo površino ter njihova absolutna temperatura.

(5) Toplotna prevodnost, to je prevodnost radiatorja in drugih pritrdilnih konstrukcijskih komponent.

(6) Toplotna konvekcija, to je naravna konvekcija in konvekcija s prisilnim hlajenjem.

Analiza zgornjih dejavnikov je učinkovit način za reševanje dviga temperature PCB. V izdelku in sistemu so ti dejavniki pogosto med seboj povezani in odvisni. Večino dejavnikov je treba analizirati glede na dejansko stanje. Samo za določeno dejansko situacijo je mogoče pravilno izračunati ali oceniti parametre, kot sta dvig temperature in poraba energije.

3. Osnovne zahteve za toplotno zasnovo PCB

Pri načrtovanju tiskanega vezja, zlasti za načrtovanje tiskanega vezja za površinsko montažo, je treba najprej upoštevati problem ujemanja koeficienta toplotnega raztezanja materiala. Obstajajo tri vrste substratov za pakiranje komponent: togi substrat za organsko pakiranje, prožen substrat za organsko pakiranje in keramični substrat za paket. Substrat je pakiran po štirih metodah: tehnologija brizganja, tehnologija brizgane keramike, tehnologija laminirane keramike in laminirana plastika. Materiali, uporabljeni za substrat, so predvsem visokotemperaturna epoksi smola, BT smola, poliimid, keramika in ognjevarno steklo. Ti materiali imajo visoko temperaturno odpornost in nizke koeficiente toplotnega raztezanja v smereh X in Y. Pri izbiri materiala za tiskano vezje morate razumeti obliko embalaže komponente in material substrata ter upoštevati razpon temperaturnih sprememb postopka spajkanja komponente. Izberite substrat s koeficientom toplotnega raztezanja, ki ustreza toplotni obremenitvi, ki jo povzroči razlika v koeficientu toplotnega raztezanja materiala. .

Številne komponente uporabljajo keramični substrat paketa, njegov koeficient toplotnega raztezanja je običajno (5 ~ 7) × 10-6 / stopinja C, koeficient toplotnega raztezanja brezsvinčenega nosilca keramičnih čipov LCCC je (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / stopnja. Nekateri substrati komponent uporabljajo enake materiale kot nekateri substrati PCB, kot so PI, BT in toplotno odporen epoksi. Pri izbiri substrata za tiskano vezje je treba upoštevati koeficient toplotnega raztezanja substrata čim bližje koeficientu toplotnega raztezanja materiala sestavnega substrata.

Prevodnik tiskanega vezja se zaradi prehajajočega toka dvigne, temperatura okolja pa ne sme preseči 125 stopinj C (tipične vrednosti so običajne, odvisno od izbrane podlage). Ker so komponente nameščene na PCB in tudi oddajajo del toplote, ki vpliva na delovno temperaturo PCB, je treba te dejavnike upoštevati pri izbiri materiala PCB in zasnove PCB. Temperatura vroče točke ne sme preseči 125 stopinj. PCB substrat naj bo izbran s čim debelejšo bakreno folijo. V posebnih primerih je mogoče izbrati podlago z majhno toplotno odpornostjo, kot je aluminijasta ali keramična podlaga, večplastna struktura pa prispeva tudi k toplotni zasnovi PCB.

Trenutno široko uporabljeni substrati PCB so substrati iz epoksidne steklene tkanine, prevlečeni z bakrom, ali substrati iz steklene tkanine iz fenolne smole in majhna količina substratov, prevlečenih s papirjem, prevlečenih z bakrom. Čeprav imajo ti substrati odlične električne lastnosti in lastnosti obdelave, imajo slabo odvajanje toplote. Kot sredstvo za odvajanje toplote za komponente, ki proizvajajo visoko toploto, je težko pričakovati, da bo prevajal toploto iz smole samega tiskanega vezja, ampak da bo odvajal toploto s površine komponent v okoliški zrak. Ker pa elektronski izdelki vstopajo v dobo miniaturizacije, visoke gostote namestitve in sestavljanja z visoko toploto, ni dovolj odvajanje toplote z zelo majhno površino komponente. Hkrati se zaradi velikega števila komponent za površinsko montažo, kot sta QFP in BGA, toplota, ki jo ustvarijo komponente, v velikih količinah prenese na PCB. Zato je najboljši način za rešitev odvajanja toplote izboljšanje zmogljivosti odvajanja toplote samega tiskanega vezja v neposrednem stiku s komponentami, ki proizvajajo toploto. PCB se odvaja ali oddaja.

4. Toplotna zasnova PCB

V toplotni zasnovi PCB so trije ukrepi: zmanjšanje moči, odvajanje toplote in postavitev. Zmanjšanje toplote ne pomeni ustvarjanja toplote; odvajanje toplote je prevajanje ali odvajanje toplote, ki ne vpliva na komponente; postavitev je, da če se toplota ne razprši, lahko toplotno občutljive komponente izoliramo s postavitvijo. Zmanjšanje porabe je najbolj temeljna rešitev. Obstajata dva glavna pristopa k zmanjšanju moči in načrtovanju nizke porabe energije, vendar ju je treba analizirati v kombinaciji s posebnimi načrti. Ko izbirate komponente, poskusite uporabiti komponente z majhnim oddajanjem toplote, kot so čipni upori, žični upori (manj uporov iz ogljikovega filma), monolitni kondenzatorji, tantalovi kondenzatorji (manj papirnati kondenzatorji), MOS, CMOS vezja (manj uporabljena)锗 cev), naprave za površinsko montažo ipd. Poleg izbire komponent majhne porabe je ena od rešitev tudi temperaturna kompenzacija in nadzor nekaterih temperaturno občutljivih posebnih komponent.

Zmanjšanje moči mora razmisliti o načinu zmanjšanja porabe. Recimo, da je tanka žica nominalno sposobna prenesti 10A toka. Tok na njem ustvarja več toplote, žica pa je odebeljena, da poveča rezervo. Nominalno se prenaša skozi 20A. Ko tok teče skozi 10 A, se toplotne izgube zaradi notranjega upora zmanjšajo in toplota je majhna. Poleg tega je zaradi zasnove zmanjšanja moči, ko se temperatura okolice dvigne, v primeru, ko je zmogljivost komponente poslabšana, zaradi roba, tudi če je zmogljivost poslabšana, lahko izpolnjena zahteva. V danih pogojih, ko se temperatura komponent v tokokrogu dvigne nad temperaturo zajamčene zanesljivosti, je treba sprejeti ustrezne ukrepe za odvajanje toplote, da se temperatura zniža na delovno območje zanesljivosti, kar je končni cilj toplotnega načrtovanja.

Odvajanje toplote je glavna vsebina toplotne zasnove PCB. Pri PCB-jih obstajajo tri osnovne vrste odvajanja toplote: toplotna prevodnost, konvekcija in sevanje. Toplotna prevodnost in konvekcija sta glavna sredstva za odvajanje toplote. Običajni način odvajanja toplote je uporaba hladilnega telesa za prevajanje toplote iz vira toplote in njeno odvajanje s konvekcijo zraka. Sevanje je uporaba elektromagnetnih valov v prostoru za odvajanje toplote, ki ima majhno količino odvajanja toplote in se običajno uporablja kot pomožno sredstvo za odvajanje toplote.

Namen toplotne zasnove PCB je sprejeti ustrezne ukrepe in metode za zmanjšanje temperature komponent in temperature PCB, tako da sistem pravilno deluje pri pravi temperaturi. Z vidika lažjega odvajanja toplote je tiskano vezje po možnosti nameščeno pokonci, razdalja med tiskanim vezjem in tiskanim vezjem pa na splošno ni manjša od 2 cm.