Tepelná analýza desek plošných spojů a techniky tepelného návrhu

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SCHitec) je high-tech podnik, který se specializuje na výrobu a prodej příslušenství k telefonům. Mezi naše hlavní produkty patří cestovní nabíječky, nabíječky do auta, USB kabely, powerbanky a další digitální produkty. Všechny produkty jsou bezpečné a spolehlivé, s jedinečnými styly. Produkty procházejí certifikáty jako CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick atd. , Máte-li zájem, můžete kontaktovat přímo ceo@schitec.com.

Nabíjejte bezpečně se SChitec

Tepelná analýza desek plošných spojů a techniky tepelného návrhu

1. Zdroj tepla DPS

Kromě užitečné práce se část energie spotřebované napájecím adaptérem během provozu přeměňuje na teplo. Teplo generované napájecím adaptérem způsobuje rychlé zvýšení vnitřní teploty. Pokud se teplo včas nerozptýlí, teplota bude dále stoupat a komponenty selžou kvůli přehřátí a spolehlivost napájecího adaptéru se sníží. SMT zvyšuje montážní hustotu součástí napájecího adaptéru, snižuje efektivní oblast rozptylu tepla a nárůst teploty napájecího adaptéru vážně ovlivňuje spolehlivost. Proto je velmi důležitý výzkum tepelného návrhu desky plošných spojů napájecího adaptéru. Přímá příčina nárůstu teploty desky plošných spojů napájecího adaptéru je způsobena existencí obvodových výkonových komponentů, elektronické komponenty mají různé stupně spotřeby energie a intenzita tepla se mění se spotřebou energie. Dva jevy nárůstu teploty v PCB jsou: 1 místní nárůst teploty nebo nárůst teploty na velké ploše; 2 krátkodobé zvýšení teploty nebo dlouhodobé zvýšení teploty.

V desce plošných spojů napájecího adaptéru jsou tři hlavní zdroje tepla: teplo elektronických součástek, teplo samotné desky plošných spojů a teplo z ostatních částí. Mezi třemi zdroji tepla komponenta generuje největší množství tepla, které je hlavním zdrojem tepla, následuje teplo generované PCB. Externí tepelný příkon závisí na celkovém tepelném provedení napájecího adaptéru.

Produkce tepla komponent je dána jejich spotřebou energie. Proto by měly být při návrhu nejprve vybrány komponenty s nízkou spotřebou energie, aby se minimalizoval vznik tepla. Druhým je nastavení pracovního bodu součásti. Obecně by měl být vybrán v rámci svého jmenovitého pracovního rozsahu. Při práci v tomto rozsahu je výkon dobrý, spotřeba energie je malá a životnost je dlouhá. Samotné napájecí zařízení generuje velké množství tepla a mělo by být navrženo tak, aby se zabránilo provozu při plném zatížení. U zařízení s vysokým výkonem by měl být implementován princip návrhu snížení výkonu a bohatost návrhu by měla být vhodně zvýšena, což je výhodné pro zvýšení stability, spolehlivosti a vytváření tepla napájecího adaptéru.

PCB se skládá z měděného vodiče a izolačního dielektrického materiálu a obecně se má za to, že izolační dielektrický materiál nevytváří teplo. Měděný vodič má odpor způsobený samotnou mědí. Když proud projde, bude generovat teplo. Když projde malý proud mA (miliampér) a μA (mikroampér), problém s ohřevem je zanedbatelný, ale když je proud vysoký (100 mA nebo více), když projde, nemůžete to ignorovat. Stojí za zmínku, že když teplota měděného vodiče stoupne na 85 stupňů C, samotný izolační materiál začne žloutnout, proud dále prochází a nakonec se měděný vodič sfoukne. Zejména měděný vodič ve vnitřní vrstvě vícevrstvé desky plošných spojů je obklopen pryskyřicí se špatnou tepelnou vodivostí a odvod tepla je obtížný, takže teplota nevyhnutelně stoupá, takže zvláštní pozornost by měla být věnována návrhu šířky čáry mědi. dirigent. Ve skutečnosti je při navrhování rozložení desky plošných spojů šířka stopy určena především prostředím, ve kterém se vytváří teplo a rozptyluje teplo. Plocha průřezu měděného vodiče určuje odpor vodiče (ztráta signálu způsobená odporem vedení v digitálním obvodu je zanedbatelná) a tepelná vodivost měděného vodiče a izolačního substrátu ovlivňuje nárůst teploty, což zase určuje proudovou zatížitelnost. Například plocha průřezu měděného vodiče je konstantní. Když je přípustná hodnota proudu 2A a hodnota nárůstu teploty je nižší než 10 °C, šířka čáry by měla být navržena tak, aby byla 2 mm pro 35 μm měděnou fólii a 1 mm pro 70 μm měděnou fólii. . Lze dojít k závěru, že když jsou plocha průřezu, přípustný proud a hodnota nárůstu teploty měděného vodiče konstantní, lze požadavek na odvod tepla uspokojit ze dvou hledisek: zvětšení tloušťky měděné fólie nebo zvětšení šířky vedení. měděný vodič.

2. Tepelná analýza obvodu

Tepelná analýza obvodu je rozdělena do tří kroků: nejprve se odhadne teplo generované v komponentě, poté se odhadne teplo vyzařované PCB nebo chladičem a nakonec se odhadne okolní teplota, při které bude komponenta pracovat. Deska plošných spojů nebo chladič bude odvádět teplo součásti prouděním, vedením nebo sáláním. K odvodu tepla dochází hlavně prostřednictvím vedení tepla čipovým kovovým olověným rámem napájecího zařízení a měděnou fólií na desce plošných spojů. Jakmile měděná fólie PCB nebo samostatný chladič vede teplo, poskytuje dostatečně velkou plochu pro odvod tepla konvekcí, aby se teplo odvádělo do vzduchu.

Existují také určité potíže s odvodem tepla konvekcí. Při vysokých teplotách se zvyšuje tepelný odpor. Z tohoto důvodu se jako parametr tepelné analýzy používá tepelný odpor. Pokud je v údajích součástky uveden tepelný odpor Rja od přechodu ven, hodnota udává nárůst teploty, když součástka není připojena k chladiči nebo není připájena k DPS. Klíčovým tepelným odporem v tepelném designu je tepelný odpor Rjb od čipu k PCB a tepelný odpor Rjc od čipu k povrchu pouzdra. Rja lze měřit se dvěma standardními DPS JEDEC, jednou pro jednostrannou DPS a druhou pro vícevrstvou DPS. Pokud máte specifikace Rjb a Rjc, můžete odhadnout skutečný nárůst teploty součásti. Při měření Rja nejsou na DPS žádné další čipy. Když jsou kolem součástek napájecí zdroje a další čipy odvádějící teplo a když je PCB v plastovém pouzdře bez ventilátoru s omezeným prostorem, bude skutečný nárůst teploty vyšší než měření Rja. Hodnota je proto, že horní povrch plastového obalu většiny komponent nepropouští téměř žádné teplo. Tepelná vodivost epoxidové pryskyřice je 0,6 ~ 1W / (m · K) (watty na metr Kelvinů), zatímco tepelná vodivost mědi je 400 W / (m · K). Proto je tepelná vodivost mědi 400 až 600krát vyšší než u plastu.

Posledním krokem tepelné analýzy je odhad okolní teploty, což je důležité. Například teplota vzduchu v laboratoři je 25 °C a čip na pracovním stole pracuje při 50 °C. Když jsou tyto čipy umístěny při okolní teplotě 50 °C, teplota čipu dosáhne 75 °C. Při odhadu kroku okolní teploty je někdy nemožné určit podmínky prostředí, ve kterých může komponenta pracovat.

Při analýze tepelné spotřeby PCB se obecně analyzuje z následujících hledisek.

(1) Spotřeba elektrické energie, tj. spotřeba energie na jednotku plochy desky plošných spojů a spotřeba energie na desce plošných spojů.

(2) Struktura DPS, tj. velikost a materiál DPS.

(3) Způsob montáže PCB (jako je vertikální instalace, horizontální instalace), stav těsnění a vzdálenost od krytu.

(4) Tepelné záření, tj. emisivita povrchu DPS, rozdíl teplot mezi DPS a přilehlým povrchem a jejich absolutní teplota.

(5) Vedení tepla, to znamená vedení radiátoru a dalších montážních konstrukčních prvků.

(6) Tepelná konvekce, tj. přirozená konvekce a nucená chladicí konvekce.

Analýza výše uvedených faktorů je efektivním způsobem řešení nárůstu teploty DPS. V produktu a systému jsou tyto faktory často vzájemně propojené a závislé. Většina faktorů by měla být analyzována podle skutečné situace. Pouze pro konkrétní aktuální situaci lze správně vypočítat nebo odhadnout parametry, jako je nárůst teploty a spotřeba energie.

3. Základní požadavky na tepelný návrh DPS

Při navrhování DPS, zejména pro povrchovou montáž DPS, by měl být nejprve zvážen problém přizpůsobení koeficientu tepelné roztažnosti materiálu. Existují tři typy obalových substrátů pro komponenty: tuhý organický obalový substrát, pružný organický obalový substrát a keramický obalový substrát. Substrát je balen čtyřmi způsoby: technologie lisování, technologie lisované keramiky, technologie vrstvené keramiky a vrstveného plastu. Materiály použité pro substrát jsou především vysokoteplotní epoxidové pryskyřice, BT pryskyřice, polyimid, keramika a žáruvzdorné sklo. Tyto materiály mají vysokou teplotní odolnost a nízké koeficienty tepelné roztažnosti ve směru X a Y. Při výběru materiálu desky plošných spojů byste měli porozumět tvaru balení součásti a materiálu substrátu a zvážit rozsah teplotních změn procesu pájení součásti. Vyberte substrát s koeficientem tepelné roztažnosti tak, aby odpovídal tepelnému namáhání způsobenému rozdílem koeficientu tepelné roztažnosti materiálu. .

Mnoho komponent používá keramický obalový substrát, jeho koeficient tepelné roztažnosti je obvykle (5 ~ 7) × 10-6 / stupeň C, koeficient tepelné roztažnosti bezolovnatého keramického nosiče čipu LCCC je (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / stupeň . Některé substráty součástí používají stejné materiály jako některé substráty PCB, jako je PI, BT a tepelně odolný epoxid. Při výběru substrátu DPS by měl být koeficient tepelné roztažnosti substrátu uvažován co nejblíže koeficientu tepelné roztažnosti materiálu substrátu součásti.

Vodič desky plošných spojů je zahřátý kvůli procházejícímu proudu a okolní teplota by neměla překročit 125 °C (typické hodnoty jsou běžné v závislosti na zvoleném substrátu). Vzhledem k tomu, že součásti jsou namontovány na desce plošných spojů a také vyzařují část tepla, která ovlivňuje provozní teplotu desky plošných spojů, měly by být tyto faktory zohledněny při výběru materiálu desky plošných spojů a designu desky plošných spojů. Teplota horkého bodu by neměla překročit 125 stupňů. Substrát PCB by měl být zvolen co nejvíce silnější měděnou fólií. Ve speciálních případech lze zvolit substrát s malým tepelným odporem jako je hliníková základna nebo keramická základna a k tepelnému návrhu DPS přispívá i vícevrstvá struktura.

V současnosti široce používanými substráty PCB jsou substráty z epoxidové skleněné tkaniny plátované mědí nebo substráty ze skleněné látky z fenolové pryskyřice a malé množství substrátů plátovaných mědí na bázi papíru. Přestože tyto substráty mají vynikající elektrické vlastnosti a zpracovatelské vlastnosti, mají špatný odvod tepla. Jako prostředek odvádějící teplo pro součásti generující vysoké teplo se stěží očekává, že bude odvádět teplo z pryskyřice samotné desky plošných spojů, ale že bude teplo odvádět z povrchu součástí do okolního vzduchu. Avšak s tím, jak elektronické produkty vstupují do éry miniaturizace, montáže s vysokou hustotou a montáže za vysoké teploty, nestačí odvádět teplo velmi malým povrchem součásti. Zároveň se díky velkému počtu součástek pro povrchovou montáž, jako jsou QFP a BGA, teplo generované součástkami přenáší na desku plošných spojů ve velkém množství. Proto je nejlepším způsobem, jak vyřešit odvod tepla, zlepšit schopnost odvodu tepla samotné desky plošných spojů v přímém kontaktu se součástmi generujícími teplo. PCB je vyveden nebo vyzařován.

4. Tepelný návrh DPS

Tepelný návrh desky plošných spojů má tři opatření: snížení výkonu, odvod tepla a rozložení. Snížení tepla nemá vytvářet teplo; rozptyl tepla má vést nebo odvádět teplo, které neovlivňuje součásti; uspořádání je takové, že pokud se teplo nerozptýlí, komponenty citlivé na teplo mohou být izolovány uspořádáním. Snížení spotřeby je nejzásadnějším řešením. Existují dva hlavní přístupy ke snížení výkonu a návrhu s nízkou spotřebou, ale je třeba je analyzovat v kombinaci se specifickými návrhy. Při výběru součástek se snažte použít součástky s malým vývinem tepla, jako jsou čipové rezistory, drátové rezistory (méně rezistory s uhlíkovou vrstvou), monolitické kondenzátory, tantalové kondenzátory (méně papírových kondenzátorů), obvody MOS, CMOS (méně používané)锗 elektronka), zařízení pro povrchovou montáž atd. Kromě výběru součástek s nízkým výkonem je jedním z řešení také teplotní kompenzace a řízení některých speciálních součástek citlivých na teplotu.

Při snižování spotřeby je třeba zvážit způsob snížení spotřeby. Předpokládejme, že tenký drát je nominálně schopen procházet 10A proudu. Proud na něm generuje více tepla a drát je zesílen, aby se zvýšila rezerva. Nominálně prochází 20A. Při průchodu proudu 10A se sníží tepelné ztráty způsobené vnitřním odporem a teplo je malé. Navíc vzhledem k návrhu snížení výkonu, když teplota okolí vzroste, v případě, kdy je výkon součásti degradován, kvůli rezervě, i když je výkon snížen, může být požadavek splněn. Za daných podmínek, kdy teplota součástek v obvodu stoupne nad teplotu zaručenou spolehlivostí, by měla být přijata vhodná opatření pro odvod tepla ke snížení teploty na pracovní rozsah spolehlivosti, což je konečný cíl tepelného návrhu.

Odvod tepla je hlavním obsahem tepelného návrhu DPS. U PCB existují tři základní typy odvodu tepla: vedení tepla, proudění a záření. Tepelné vedení a konvekce jsou hlavními prostředky pro odvod tepla. Běžným způsobem odvodu tepla je použití chladiče k vedení tepla ze zdroje tepla a jeho odvádění konvekcí vzduchu. Záření je použití elektromagnetických vln v prostoru k rozptýlení tepla, které má malé množství rozptylu tepla a obvykle se používá jako pomocný prostředek pro rozptyl tepla.

Účelem tepelného návrhu DPS je přijmout vhodná opatření a metody ke snížení teploty součástí a teploty DPS, aby systém správně fungoval při správné teplotě. Z hlediska usnadnění odvodu tepla je deska plošných spojů přednostně namontována svisle a vzdálenost mezi plošnými spoji a plošnými spoji není obecně menší než 2 cm.