PCB termisk analyse og termisk designteknikker

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) er en høyteknologisk bedrift som spesialiserer seg på produksjon og salg av telefontilbehør. Våre hovedprodukter inkluderer reiseladere, billadere, USB-kabler, strømbanker og andre digitale produkter. Alle produktene er trygge og pålitelige, med unike stiler. produkter passerer sertifikater som CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick, etc. , Hvis du er interessert i, kan du kontakte ceo@schitec.com direkte.

Lade trygt med SCitec

PCB termisk analyse og termisk designteknikker

1. Kilde til PCB-varme

I tillegg til det nyttige arbeidet, blir en del av strømmen som forbrukes av strømadapteren under drift omdannet til varme. Varmen som genereres av strømadapteren får den interne temperaturen til å stige raskt. Hvis varmen ikke forsvinner i tide, vil temperaturen fortsette å stige, og komponentene vil mislykkes på grunn av overoppheting, og påliteligheten til strømadapteren vil avta. SMT øker monteringstettheten til strømadapterkomponenter, reduserer det effektive varmespredningsområdet, og temperaturøkningen til strømadapteren påvirker påliteligheten alvorlig. Derfor er forskning på den termiske utformingen av strømadapterens PCB svært viktig. Den direkte årsaken til temperaturøkningen til strømadapterens PCB skyldes eksistensen av kretsstrømkomponenter, de elektroniske komponentene har forskjellige grader av strømforbruk, og varmeintensiteten varierer med strømforbruket. De to fenomenene temperaturøkning i PCB er: 1 lokal temperaturøkning eller stor områdetemperaturøkning; 2 kortvarig temperaturstigning eller langvarig temperaturstigning.

Det er tre hovedkilder til varme i strømadapterens PCB: varmen fra de elektroniske komponentene, varmen fra selve PCB-en og varmen fra andre deler. Blant de tre varmekildene genererer komponenten den største mengden varme, som er hovedvarmekilden, etterfulgt av varmen som genereres av PCB. Den eksterne varmeinngangen avhenger av den generelle termiske utformingen av strømadapteren.

Komponentenes varmegenerering bestemmes av deres strømforbruk. Derfor bør komponenter med lavt strømforbruk velges først i design for å minimere varmeutvikling. Den andre er innstillingen av arbeidspunktet til komponenten. Generelt bør den velges innenfor det nominelle arbeidsområdet. Når du arbeider i dette området, er ytelsen god, strømforbruket er lite, og levetiden er lang. Selve kraftenheten genererer en stor mengde varme, og bør utformes for å unngå full belastning. For enheter med høy effekt bør prinsippet om reduksjonsdesign implementeres, og designrikdommen bør økes på passende måte, noe som er fordelaktig for å øke stabiliteten, påliteligheten og varmegenereringen til strømadapteren.

PCB er sammensatt av en kobberleder og et isolerende dielektrisk materiale, og det anses generelt at det isolerende dielektriske materialet ikke genererer varme. Kobberlederen har en motstand på grunn av selve kobberet. Når strømmen går, vil den generere varme. Når en liten strøm på mA (milliampere) og μA (mikroampere) passeres, er oppvarmingsproblemet ubetydelig, men når strømmen er høy (100 mA eller mer) Når du passerer, kan du ikke ignorere det. Det er verdt å merke seg at når kobberledertemperaturen stiger til 85 grader C, begynner selve isolasjonsmaterialet å gulne, strømmen fortsetter å passere, og til slutt blåses kobberlederen. Spesielt er kobberlederen i det indre laget av flerlags PCB omgitt av en harpiks med dårlig varmeledningsevne, og varmeavledning er vanskelig, så temperaturen stiger uunngåelig, så spesiell oppmerksomhet bør rettes mot linjebreddedesignen til kobberet. dirigent. Faktisk, når du designer PCB-oppsettet, bestemmes sporbredden hovedsakelig av varmegenereringen og varmeavledningsmiljøet. Tverrsnittsarealet til kobberlederen bestemmer ledningsmotstanden (signaltapet forårsaket av linjemotstanden i den digitale kretsen er ubetydelig), og den termiske ledningsevnen til kobberlederen og det isolerende underlaget påvirker temperaturstigningen, som igjen bestemmer gjeldende bæreevne. For eksempel er tverrsnittsarealet til kobberlederen konstant. Når den tillatte strømverdien er 2A og temperaturstigningsverdien er lavere enn 10 grader C, bør linjebredden utformes til å være 2 mm for 35 μm kobberfolie og 1 mm for 70 μm kobberfolie. . Det kan konkluderes med at når tverrsnittsarealet, tillatt strøm- og temperaturstigningsverdi for kobberlederen er konstant, kan varmespredningskravet tilfredsstilles fra to aspekter: å øke tykkelsen på kobberfolien eller å øke linjebredden til kobber leder.

2. Krets termisk analyse

Kretstermisk analyse er delt inn i tre trinn: først estimere varmen som genereres i komponenten, deretter estimere varmen som sendes ut av PCB eller kjøleribben, og til slutt estimere omgivelsestemperaturen som komponenten vil fungere ved. PCB eller kjøleribbe vil spre varmen fra komponenten ved konveksjon, ledning eller stråling. Konduktiv varmeavledning skjer hovedsakelig gjennom varmeledning av kraftenhetens chip metall blyramme og kobberfolien på PCB. Når først PCB-kobberfolien eller den diskrete kjøleribben leder varme, gir den et stort nok overflateareal for konvektiv varmeavledning til å spre varme ut i luften.

Det er også noen vanskeligheter med konveksjonsvarmespredning. Ved høye temperaturer øker den termiske motstanden. Av denne grunn brukes termisk motstand som en termisk analyseparameter. Hvis den termiske motstanden Rja fra krysset til utsiden er gitt i komponentdataene, indikerer verdien temperaturstigningen når komponenten ikke er koblet til kjøleribben eller ikke er loddet til PCB. Den sentrale termiske motstanden i termisk design er den termiske motstanden Rjb fra brikken til PCB og den termiske motstanden Rjc fra brikken til pakkeoverflaten. Rja kan måles med to JEDEC standard PCB, en for enkeltsidig PCB og den andre for flerlags PCB. Hvis du har Rjb- og Rjc-spesifikasjoner, kan du anslå den sanne temperaturøkningen til komponenten. Ved måling av Rja er det ingen andre brikker på PCB. Når det er strømforsyninger og andre varmeavledende brikker rundt komponentene, og når kretskortet ligger i en vifteløs plastkasse med begrenset plass, vil den faktiske temperaturstigningen være høyere enn Rja-målingen. Verdien er fordi den øvre overflaten av plastpakken til de fleste komponenter overfører nesten ingen varme. Den termiske ledningsevnen til epoksyharpiks er 0.6 ~ 1W / (m · K) (watt per meter Kelvin), mens den termiske ledningsevnen til kobber er 400W / (m · K). Derfor er varmeledningsevnen til kobber 400 til 600 ganger høyere enn for plast.

Det siste trinnet i termisk analyse er å estimere omgivelsestemperaturen, noe som er viktig. For eksempel er laboratorielufttemperaturen 25 grader C og brikken på benken arbeider ved 50 grader C. Når disse brikkene plasseres ved en omgivelsestemperatur på 50 grader C, vil temperaturen på brikken nå 75 grader C. , i estimeringen av omgivelsestemperaturtrinnet, er det noen ganger umulig å bestemme miljøforholdene som komponenten kan fungere under.

Når man analyserer PCB termisk strømforbruk, blir det generelt analysert fra følgende aspekter.

(1) Elektrisk strømforbruk, det vil si strømforbruket per arealenhet på kretskortet og strømforbruket på kretskortet.

(2) Strukturen til PCB, dvs. størrelsen og materialet til PCB.

(3) PCB-monteringsmetode (som vertikal installasjon, horisontal installasjon), tetningstilstand og avstand fra huset.

(4) Termisk stråling, dvs. emissiviteten til PCB-overflaten, temperaturforskjellen mellom PCB og tilstøtende overflate og deres absolutte temperatur.

(5) Varmeledning, det vil si ledningen til radiatoren og andre monteringskonstruksjonskomponenter.

(6) Termisk konveksjon, det vil si naturlig konveksjon og tvungen kjølekonveksjon.

Analysen av faktorene ovenfor er en effektiv måte å løse PCB-temperaturstigningen på. Ofte i et produkt og et system er disse faktorene sammenkoblet og avhengige. De fleste faktorene bør analyseres i henhold til den faktiske situasjonen. Bare for en spesifikk faktisk situasjon kan parametere som temperaturøkning og strømforbruk beregnes eller estimeres riktig.

3. Grunnleggende krav til PCB termisk design

Ved utforming av et PCB, spesielt for overflatemontert PCB-design, bør man først vurdere det termiske ekspansjonskoeffisient-tilpasningsproblemet til materialet. Det finnes tre typer pakkesubstrater for komponenter: stivt organisk pakkesubstrat, fleksibelt organisk pakkesubstrat og keramisk pakkesubstrat. Underlaget pakkes ved fire metoder: støpeteknologi, støpt keramisk teknologi, laminert keramisk teknologi og laminert plast. Materialene som brukes til underlaget er hovedsakelig høytemperatur-epoksyharpiks, BT-harpiks, polyimid, keramikk og ildfast glass. Disse materialene har høy temperaturmotstand og lave termiske ekspansjonskoeffisienter i X- og Y-retningene. Når du velger PCB-materialet, bør du forstå pakkeformen til komponenten og materialet til substratet, og vurdere temperaturvariasjonen til komponentloddeprosessen. Velg underlaget med den termiske ekspansjonskoeffisienten for å matche den termiske spenningen forårsaket av forskjellen i termisk ekspansjonskoeffisient for materialet. .

Mange komponenter bruker keramisk pakkesubstrat, dens termiske ekspansjonskoeffisient er typisk (5 ~ 7) × 10-6 / grad C, den termiske ekspansjonskoeffisienten til blyfri keramisk brikkebærer LCCC er (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / grad. Noen komponentsubstrater bruker de samme materialene som noen PCB-substrater, som PI, BT og varmebestandig epoksy. Når du velger substratet til PCB, bør den termiske ekspansjonskoeffisienten til substratet vurderes så nært som mulig til den termiske ekspansjonskoeffisienten til materialet til komponentsubstratet.

Lederen til PCB er temperaturstigning på grunn av passerende strøm, og omgivelsestemperaturen bør ikke overstige 125 grader C (typiske verdier er vanlige, avhengig av substratet som er valgt). Siden komponenter er montert på PCB og også avgir en del av varmen som påvirker driftstemperaturen til PCB, bør disse faktorene vurderes ved valg av PCB materiale og PCB design. Hot spottemperaturen bør ikke overstige 125 grader. PCB-substratet bør velges med en tykkere kobberfolie så mye som mulig. I spesielle tilfeller kan et underlag med liten termisk motstand som en aluminiumsbase eller en keramisk base velges, og flerlagsstrukturen bidrar også til den termiske utformingen av PCB.

For tiden mye brukte PCB-substrater er kobberkledde epoksyglassduksubstrater eller fenolharpiksglassduksubstrater, og en liten mengde papirbaserte kobberkledde substrater. Selv om disse substratene har utmerkede elektriske egenskaper og prosesseringsegenskaper, har de dårlig varmeavledning. Som et varmeavledende middel for høyvarmegenererende komponenter forventes det neppe å lede varme fra harpiksen til selve PCB-en, men å spre varme fra overflaten av komponentene til den omgivende luften. Men ettersom elektroniske produkter går inn i æraen med miniatyrisering, høytetthetsmontering og høyvarmemontering, er det ikke nok å spre varme med en veldig liten komponentoverflate. Samtidig, på grunn av det store antallet overflatemonterte komponenter som QFP og BGA, overføres varmen som genereres av komponentene til PCB i store mengder. Derfor er den beste måten å løse varmespredningen på å forbedre varmespredningsevnen til selve PCB-en i direkte kontakt med de varmegenererende komponentene. PCB ledes ut eller sendes ut.

4. PCB termisk design

Det er tre tiltak i PCB termisk design: effektreduksjon, varmespredning og layout. Reduksjonen av varme er ikke å generere varme; varmespredningen er å lede eller spre varme, som ikke påvirker komponentene; layouten er at hvis varmen ikke spres, kan de varmefølsomme komponentene isoleres ved layout. Å redusere forbruket er den mest grunnleggende løsningen. Det er to hovedtilnærminger til reduksjon og laveffektdesign, men de må analyseres i kombinasjon med spesifikke design. Når du velger komponenter, prøv å bruke komponenter med liten varmeutvikling, for eksempel brikkemotstander, trådviklede motstander (mindre karbonfilmmotstander), monolittiske kondensatorer, tantalkondensatorer (mindre papirkondensatorer), MOS, CMOS-kretser (mindre brukt) 锗-rør), overflatemonterte enheter osv. I tillegg til å velge komponenter med lav effekt, er temperaturkompensasjon og kontroll av enkelte temperaturfølsomme spesialkomponenter også en av løsningene.

Derating må vurdere måten å redusere forbruket på. Anta at en tynn ledning nominelt er i stand til å føre 10A strøm. Strømmen genererer mer varme på den, og ledningen blir tykkere for å øke marginen. Den er nominelt ført gjennom 20A. Når strømmen føres gjennom 10A, reduseres varmetapet på grunn av indre motstand og varmen er liten. Dessuten, på grunn av reduksjonsdesignet, når omgivelsestemperaturen stiger, i tilfellet hvor ytelsen til komponenten er forringet, på grunn av marginen, selv om ytelsen er forringet, kan kravet tilfredsstilles. Under de gitte forholdene, når temperaturen på komponentene i kretsen stiger over den pålitelighetsgaranterte temperaturen, bør passende varmespredningstiltak tas for å senke temperaturen til pålitelighetsarbeidsområdet, som er det endelige målet for termisk design.

Varmespredning er hovedinnholdet i PCB termisk design. For PCB er det tre grunnleggende typer varmespredning: termisk ledning, konveksjon og stråling. Termisk ledning og konveksjon er de viktigste midlene for varmespredning. Den vanlige måten å spre varme på er å bruke en kjøleribbe for å lede varme fra varmekilden og spre den ved luftkonveksjon. Stråling er bruken av elektromagnetiske bølger i rommet for å spre varme, som har en liten mengde varmespredning, og brukes vanligvis som et hjelpemiddel for varmespredning.

Formålet med PCB termisk design er å ta hensiktsmessige tiltak og metoder for å redusere temperaturen på komponenter og PCB temperatur, slik at systemet fungerer som det skal ved riktig temperatur. Med tanke på å lette varmeavledning, monteres PCB fortrinnsvis stående, og avstanden mellom PCB og PCB er generelt ikke mindre enn 2 cm.