PCB-lämpöanalyysi ja lämpösuunnittelutekniikat

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) on korkean teknologian yritys, joka on erikoistunut puhelintarvikkeiden tuotantoon ja myyntiin. Päätuotteitamme ovat matkalaturit, autolaturit, USB-kaapelit, virtapankit ja muut digitaaliset tuotteet. Kaikki tuotteet ovat turvallisia ja luotettavia, ja niissä on ainutlaatuiset tyylit. Tuotteet läpäisevät sertifikaatit, kuten CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick jne. , Jos olet kiinnostunut, voit ottaa suoraan yhteyttä ceo@schitec.com.

Pysy latautumassa turvallisesti SCitecin avulla

PCB-lämpöanalyysi ja lämpösuunnittelutekniikat

1. PCB-lämmön lähde

Hyödyllisen työn lisäksi osa verkkolaitteen käytön aikana kuluttamasta tehosta muunnetaan lämmöksi. Verkkolaitteen tuottama lämpö saa sisäisen lämpötilan nousemaan nopeasti. Jos lämpöä ei poisteta ajoissa, lämpötila jatkaa nousuaan ja komponentit epäonnistuvat ylikuumenemisen vuoksi ja verkkolaitteen luotettavuus heikkenee. SMT lisää verkkolaitteen komponenttien asennustiheyttä, pienentää tehollista lämmönpoistoaluetta ja verkkolaitteen lämpötilan nousu vaikuttaa vakavasti luotettavuuteen. Siksi virtasovittimen piirilevyn lämpösuunnittelun tutkimus on erittäin tärkeää. Suora syy virtasovittimen piirilevyn lämpötilan nousuun johtuu piirin tehokomponenttien olemassaolosta, elektroniikkakomponenttien virrankulutusaste vaihtelee ja lämmön intensiteetti vaihtelee virrankulutuksen mukaan. Kaksi lämpötilan nousun ilmiötä piirilevyissä ovat: 1 paikallinen lämpötilan nousu tai laajan alueen lämpötilan nousu; 2 lyhytaikainen lämpötilan nousu tai pitkäaikainen lämpötilan nousu.

Virtalähteen piirilevyssä on kolme päälämmönlähdettä: elektronisten komponenttien lämpö, ​​itse piirilevyn lämpö ja muista osista tuleva lämpö. Kolmesta lämmönlähteestä komponentti tuottaa suurimman määrän lämpöä, joka on päälämmönlähde, jota seuraa piirilevyn tuottama lämpö. Ulkoinen lämmönsyöttö riippuu verkkolaitteen yleisestä lämpösuunnittelusta.

Komponenttien lämmöntuotto määräytyy niiden tehonkulutuksen mukaan. Siksi komponentit, joiden virrankulutus on alhainen, tulisi valita ensin suunnittelussa lämmöntuoton minimoimiseksi. Toinen on komponentin työpisteen asetus. Yleensä se on valittava sen nimelliskäyttöalueelta. Tällä alueella työskenneltäessä suorituskyky on hyvä, virrankulutus on pieni ja käyttöikä pitkä. Teholaite itsessään tuottaa suuren määrän lämpöä, ja se on suunniteltava siten, että vältetään käyttö täydellä kuormalla. Suuritehoisissa laitteissa tulisi ottaa käyttöön alentuneen suunnittelun periaate, ja suunnittelun rikkautta tulisi lisätä asianmukaisesti, mikä on hyödyllistä tehosovittimen vakauden, luotettavuuden ja lämmöntuoton lisäämiseksi.

Piirilevy koostuu kuparijohtimesta ja eristävästä dielektrisestä materiaalista, ja yleisesti katsotaan, että eristävä dielektrinen materiaali ei tuota lämpöä. Kuparijohtimen vastus johtuu itse kuparista. Kun virta kulkee, se tuottaa lämpöä. Kun pieni mA (milliampeeri) ja μA (mikroampeeri) virta ohitetaan, lämmitysongelma on mitätön, mutta kun virta on korkea (100 mA tai enemmän) Kun ohitat, et voi jättää huomiotta sitä. On syytä huomata, että kun kuparijohtimen lämpötila nousee 85 asteeseen, itse eristemateriaali alkaa kellastua, virta kulkee edelleen ja lopuksi kuparijohdin puhalletaan. Erityisesti monikerroksisen piirilevyn sisäkerroksen kuparijohdinta ympäröi hartsi, jonka lämmönjohtavuus on huono ja lämmön haihtumista on vaikeaa, joten lämpötila väistämättä nousee, joten kuparin viivan leveyden suunnitteluun tulee kiinnittää erityistä huomiota. kapellimestari. Itse asiassa PCB-asettelua suunniteltaessa jälkileveys määräytyy pääasiassa lämmöntuotto- ja lämmöntuottoympäristön mukaan. Kuparijohtimen poikkileikkauspinta-ala määrää langan resistanssin (linjaresistanssin aiheuttama signaalihäviö digitaalisessa piirissä on mitätön), ja kuparijohtimen ja eristävän alustan lämmönjohtavuus vaikuttaa lämpötilan nousuun, mikä puolestaan määrittää nykyisen kantokyvyn. Esimerkiksi kuparijohtimen poikkipinta-ala on vakio. Kun sallittu virran arvo on 2A ja lämpötilan nousun arvo on alle 10 astetta C, linjan leveys tulee suunnitella 2 mm 35 μm kuparikalvolle ja 1 mm 70 μm kuparikalvolle. . Voidaan päätellä, että kun kuparijohtimen poikkileikkauspinta-ala, sallittu virta ja lämpötilan nousun arvo ovat vakioita, lämmönpoistovaatimus voidaan täyttää kahdesta näkökulmasta, jotka ovat kuparikalvon paksuuden lisääminen tai johdon viivan leveyden lisääminen. kuparijohdin.

2. Piirin lämpöanalyysi

Piirin lämpöanalyysi on jaettu kolmeen vaiheeseen: ensin arvioidaan komponentissa syntyvä lämpö, ​​sitten arvioidaan piirilevyn tai jäähdytyselementin lähettämä lämpö ja lopuksi arvioidaan ympäristön lämpötila, jossa komponentti toimii. Piirilevy tai jäähdytyselementti haihduttaa komponentin lämmön konvektiolla, johteella tai säteilyllä. Johtava lämmönpoisto tapahtuu pääasiassa teholaitteen sirumetallilyijykehyksen ja piirilevyllä olevan kuparikalvon lämmönjohtavuuden kautta. Kun PCB-kuparikalvo tai erillinen jäähdytyselementti johtaa lämpöä, se tarjoaa riittävän suuren pinta-alan konvektiiviselle lämmönpoistolle lämmön haihduttamiseksi ilmaan.

Konvektiolämmönpoistossa on myös joitain vaikeuksia. Korkeissa lämpötiloissa lämpövastus kasvaa. Tästä syystä lämpöresistanssia käytetään lämpöanalyysiparametrina. Jos komponenttitiedoissa on lämpöresistanssi Rja liitoskohdasta ulos, arvo ilmaisee lämpötilan nousua, kun komponenttia ei ole kytketty jäähdytyselementtiin tai sitä ei ole juotettu piirilevyyn. Lämpösuunnittelun tärkein lämpöresistanssi on lämpöresistanssi Rjb sirusta piirilevylle ja lämpöresistanssi Rjc sirusta pakkauksen pintaan. Rja voidaan mitata kahdella JEDEC-standardin piirilevyllä, joista toinen on yksipuolinen ja toinen monikerroksinen piirilevy. Jos sinulla on Rjb- ja Rjc-spesifikaatiot, voit arvioida komponentin todellisen lämpötilan nousun. Rjaa mitattaessa piirilevyllä ei ole muita siruja. Kun komponenttien ympärillä on virtalähteitä ja muita lämpöä haihduttavia siruja ja kun piirilevy on tuulettimettomassa muovikotelossa, jossa on rajoitetusti tilaa, todellinen lämpötilan nousu on suurempi kuin Rja-mittaus. Arvo johtuu siitä, että useimpien komponenttien muovipakkauksen yläpinta ei läpäise lämpöä juuri lainkaan. Epoksihartsin lämmönjohtavuus on 0,6 ~ 1W / (m · K) (wattia kelvinmetriä kohti), kun taas kuparin lämmönjohtavuus on 400 W / (m · K). Siksi kuparin lämmönjohtavuus on 400-600 kertaa suurempi kuin muovin.

Viimeinen vaihe lämpöanalyysissä on ympäristön lämpötilan arviointi, mikä on tärkeää. Esimerkiksi laboratorioilman lämpötila on 25 astetta ja pöydällä oleva siru toimii 50 asteessa. Kun nämä lastut laitetaan ympäristön lämpötilaan 50 astetta, sirun lämpötila nousee 75 asteeseen. , ympäristön lämpötilavaiheen arvioinnissa on joskus mahdotonta määrittää ympäristöolosuhteita, joissa komponentti voi toimia.

Piirilevyn lämpötehonkulutusta analysoitaessa sitä analysoidaan yleensä seuraavista näkökohdista.

(1) Sähkönkulutus, eli virrankulutus piirilevyn pinta-alayksikköä kohti ja virrankulutus piirilevyllä.

(2) Piirilevyn rakenne eli piirilevyn koko ja materiaali.

(3) PCB-asennusmenetelmä (kuten pystyasennus, vaakasuora asennus), tiivistystila ja etäisyys kotelosta.

(4) Lämpösäteily eli piirilevyn pinnan emissiokyky, piirilevyn ja viereisen pinnan välinen lämpötilaero ja niiden absoluuttinen lämpötila.

(5) Lämmönjohtavuus, eli jäähdyttimen ja muiden asennusrakenneosien johtavuus.

(6) Terminen konvektio, eli luonnollinen konvektio ja pakkojäähdytyskonvektio.

Yllä olevien tekijöiden analyysi on tehokas tapa ratkaista piirilevyn lämpötilan nousu. Usein tuotteessa ja järjestelmässä nämä tekijät liittyvät toisiinsa ja riippuvat toisistaan. Suurin osa tekijöistä tulee analysoida todellisen tilanteen mukaan. Vain tietyssä todellisessa tilanteessa parametrit, kuten lämpötilan nousu ja tehonkulutus, voidaan laskea tai arvioida oikein.

3. Perusvaatimukset piirilevyn lämpösuunnittelulle

Piirilevyä suunniteltaessa, erityisesti pinta-asennettaessa, on ensin otettava huomioon materiaalin lämpölaajenemiskertoimen sovitusongelma. Komponenteille on olemassa kolmenlaisia ​​pakkausalustoja: jäykkä orgaaninen pakkaussubstraatti, joustava orgaaninen pakkaussubstraatti ja keraaminen pakkaussubstraatti. Substraatti pakataan neljällä menetelmällä: muovaustekniikka, valettu keramiikkatekniikka, laminoitu keramiikkatekniikka ja laminoitu muovi. Substraatissa käytetyt materiaalit ovat pääasiassa korkean lämpötilan epoksihartsia, BT-hartsia, polyimidia, keraamia ja tulenkestävää lasia. Näillä materiaaleilla on korkea lämmönkestävyys ja alhaiset lämpölaajenemiskertoimet X- ja Y-suunnissa. Piirilevymateriaalia valittaessa tulee ymmärtää komponentin pakkausmuoto ja alustan materiaali sekä ottaa huomioon komponenttien juotosprosessin lämpötilavaihtelualue. Valitse alusta, jonka lämpölaajenemiskerroin vastaa materiaalin lämpölaajenemiskertoimen eron aiheuttamaa lämpörasitusta. .

Monet komponentit käyttävät keraamista pakkaussubstraattia, sen lämpölaajenemiskerroin on tyypillisesti (5 ~ 7) × 10-6 / aste C, lyijyttömän keraamisen sirutelineen LCCC lämpölaajenemiskerroin on (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / tutkinto . Joissakin komponenteissa käytetään samoja materiaaleja kuin jotkut PCB-substraatit, kuten PI, BT ja lämmönkestävä epoksi. Piirilevyn alustaa valittaessa tulee alustan lämpölaajenemiskerroin huomioida mahdollisimman lähellä komponenttisubstraatin materiaalin lämpölaajenemiskerrointa.

Piirilevyn johdin on lämpötilan nousu läpikulkuvirrasta ja ympäristön lämpötila ei saa ylittää 125 astetta C (tyypilliset arvot ovat yleisiä valitusta substraatista riippuen). Koska komponentit on asennettu piirilevylle ja ne myös vapauttavat osan lämmöstä, joka vaikuttaa piirilevyn käyttölämpötilaan, nämä tekijät tulee ottaa huomioon valittaessa piirilevyn materiaalia ja piirilevyn suunnittelua. Kuuman pisteen lämpötila ei saa ylittää 125 astetta. PCB-substraatti tulee valita mahdollisimman paksummalla kuparikalvolla. Erikoistapauksissa voidaan valita substraatti, jolla on pieni lämpövastus, kuten alumiinipohja tai keraaminen pohja, ja monikerroksinen rakenne vaikuttaa myös piirilevyn lämpösuunnitteluun.

Tällä hetkellä laajalti käytettyjä PCB-substraatteja ovat kuparipäällysteiset epoksilasikangassubstraatit tai fenolihartsilasikangassubstraatit ja pieni määrä paperipohjaisia ​​kuparipäällysteisiä substraatteja. Vaikka näillä substraateilla on erinomaiset sähköominaisuudet ja prosessointiominaisuudet, niillä on huono lämmönpoisto. Lämpöä haihduttavana välineenä paljon lämpöä tuottaville komponenteille sen tuskin odotetaan johtavan lämpöä itse piirilevyn hartsista, vaan sen hajoavan lämpöä komponenttien pinnalta ympäröivään ilmaan. Kuitenkin, kun elektroniikkatuotteet tulevat miniatyrisoinnin, tiheän asennuksen ja korkean lämmön kokoonpanon aikakauteen, ei riitä, että lämpöä haihdutetaan hyvin pienellä komponentin pinta-alalla. Samanaikaisesti pinta-asennuskomponenttien, kuten QFP ja BGA, suuresta määrästä johtuen komponenttien tuottama lämpö siirtyy suuria määriä piirilevylle. Siksi paras tapa ratkaista lämmönpoisto on parantaa itse piirilevyn lämmönpoistokykyä suorassa kosketuksessa lämpöä tuottavien komponenttien kanssa. PCB johdetaan ulos tai säteilee.

4. PCB lämpösuunnittelu

Piirilevyn lämpösuunnittelussa on kolme toimenpidettä: tehon vähennys, lämmönpoisto ja layout. Lämmön vähentämisen tarkoituksena ei ole tuottaa lämpöä; lämmönpoiston tarkoituksena on johtaa tai haihduttaa lämpöä, joka ei vaikuta komponentteihin; layout on, että jos lämpöä ei haihdu, lämpöherkät komponentit voidaan eristää layoutilla. Kulutuksen vähentäminen on perustavanlaatuisin ratkaisu. On olemassa kaksi pääasiallista lähestymistapaa vähentämiseen ja vähätehoiseen suunnitteluun, mutta niitä on analysoitava yhdessä tiettyjen suunnitelmien kanssa. Kun valitset komponentteja, yritä käyttää komponentteja, joilla on vähän lämpöä, kuten siruvastuksia, lankavastuksia (vähemmän hiilikalvovastuksia), monoliittisia kondensaattoreita, tantaalikondensaattoreita (vähemmän paperikondensaattoreita), MOS-, CMOS-piirejä (vähemmän käytetty) -putki), pinta-asennuslaitteet jne. Pienitehoisten komponenttien valinnan lisäksi myös lämpötilan kompensointi ja joidenkin lämpötilaherkkien erikoiskomponenttien ohjaus on yksi ratkaisu.

Vähentämisessä on harkittava tapaa vähentää kulutusta. Oletetaan, että ohut johto pystyy nimellisesti läpäisemään 10A virtaa. Virta tuottaa siihen enemmän lämpöä, ja lankaa paksunnetaan marginaalin lisäämiseksi. Se kulkee nimellisesti 20 A:n läpi. Kun virta johdetaan 10A:n läpi, sisäisestä resistanssista johtuva lämpöhäviö vähenee ja lämpö on pientä. Lisäksi vaatimus voidaan täyttää alentuneen rakenteen vuoksi, kun ympäristön lämpötila nousee, siinä tapauksessa, että komponentin suorituskyky heikkenee, marginaalin vuoksi, vaikka suorituskyky heikkenisi. Tietyissä olosuhteissa, kun piirin komponenttien lämpötila nousee yli luotettavuustaatun lämpötilan, on ryhdyttävä asianmukaisiin lämmönpoistotoimenpiteisiin lämpötilan alentamiseksi luotettavuuden käyttöalueelle, mikä on lämpösuunnittelun perimmäinen tavoite.

Lämmönpoisto on PCB-lämpösuunnittelun pääsisältö. PCB-levyillä on kolme lämmönpoiston perustyyppiä: lämmönjohtavuus, konvektio ja säteily. Lämmönjohtavuus ja konvektio ovat tärkeimmät lämmönpoistokeinot. Yleinen tapa haihduttaa lämpöä on käyttää jäähdytyselementtiä johtamaan lämpöä lämmönlähteestä ja hajottamaan se ilman konvektiolla. Säteily on sähkömagneettisten aaltojen käyttöä avaruudessa lämmön haihduttamiseen, jolla on pieni määrä lämpöhäviötä ja jota käytetään yleensä apukeinona lämmön hajauttamiseen.

Piirilevyn lämpösuunnittelun tarkoituksena on ryhtyä asianmukaisiin toimenpiteisiin ja menetelmiin komponenttien lämpötilan ja piirilevyn lämpötilan alentamiseksi, jotta järjestelmä toimii kunnolla oikeassa lämpötilassa. Lämmönpoiston edistämisen kannalta piirilevy asennetaan edullisesti pystysuoraan, ja piirilevyn ja piirilevyn välinen etäisyys on yleensä vähintään 2 cm.