Tepelná analýza DPS a techniky tepelného návrhu

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co, Ltd (SCHitec) je high-tech podnik, ktorý sa špecializuje na výrobu a predaj príslušenstva k telefónom. Medzi naše hlavné produkty patria cestovné nabíjačky, nabíjačky do auta, USB káble, power banky a ďalšie digitálne produkty. Všetky produkty sú bezpečné a spoľahlivé, s jedinečnými štýlmi. Produkty prechádzajú certifikátmi ako CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick atď. , Ak máte záujem, môžete kontaktovať priamo ceo@schitec.com.

Nabíjajte bezpečne so SChitec

Tepelná analýza DPS a techniky tepelného návrhu

1. Zdroj tepla PCB

Okrem užitočnej práce sa časť energie spotrebovanej napájacím adaptérom počas prevádzky premieňa na teplo. Teplo generované napájacím adaptérom spôsobuje rýchle zvýšenie vnútornej teploty. Ak sa teplo neodvedie včas, teplota sa bude naďalej zvyšovať a komponenty zlyhajú v dôsledku prehriatia a spoľahlivosť napájacieho adaptéra sa zníži. SMT zvyšuje hustotu montáže komponentov napájacieho adaptéra, znižuje efektívnu oblasť rozptylu tepla a zvýšenie teploty napájacieho adaptéra vážne ovplyvňuje spoľahlivosť. Preto je veľmi dôležitý výskum tepelného dizajnu PCB napájacieho adaptéra. Priama príčina zvýšenia teploty dosky plošných spojov napájacieho adaptéra je spôsobená existenciou obvodových napájacích komponentov, elektronické komponenty majú rôzne stupne spotreby energie a intenzita tepla sa mení so spotrebou energie. Dva javy nárastu teploty v PCB sú: 1 lokálny nárast teploty alebo nárast teploty na veľkej ploche; 2 krátkodobé zvýšenie teploty alebo dlhodobé zvýšenie teploty.

V doske plošných spojov napájacieho adaptéra sú tri hlavné zdroje tepla: teplo elektronických komponentov, teplo samotnej dosky plošných spojov a teplo z iných častí. Spomedzi troch zdrojov tepla súčiastka generuje najväčšie množstvo tepla, ktoré je hlavným zdrojom tepla, po ktorom nasleduje teplo generované doskou plošných spojov. Externý tepelný príkon závisí od celkového tepelného prevedenia napájacieho adaptéra.

Produkcia tepla komponentov je určená ich spotrebou energie. Preto by sa pri návrhu mali ako prvé vyberať komponenty s nízkou spotrebou energie, aby sa minimalizovala tvorba tepla. Druhým je nastavenie pracovného bodu súčiastky. Vo všeobecnosti by sa mal vyberať v rámci svojho menovitého pracovného rozsahu. Pri práci v tomto rozsahu je výkon dobrý, spotreba energie je malá a životnosť je dlhá. Samotné napájacie zariadenie generuje veľké množstvo tepla a malo by byť navrhnuté tak, aby sa zabránilo prevádzke pri plnom zaťažení. V prípade zariadení s vysokým výkonom by sa mal implementovať princíp návrhu zníženia výkonu a bohatosť dizajnu by sa mala primerane zvýšiť, čo je prospešné pre zvýšenie stability, spoľahlivosti a tvorby tepla napájacieho adaptéra.

Doska plošných spojov sa skladá z medeného vodiča a izolačného dielektrického materiálu a všeobecne sa predpokladá, že izolačný dielektrický materiál nevytvára teplo. Medený vodič má odpor v dôsledku samotnej medi. Keď prúd prejde, bude generovať teplo. Keď prejde malý prúd mA (mikroampér) a μA (mikroampér), problém zahrievania je zanedbateľný, ale keď je prúd vysoký (100 mA alebo viac), keď prejde, nemôžete to ignorovať. Stojí za zmienku, že keď teplota medeného vodiča stúpne na 85 stupňov C, samotný izolačný materiál začne žltnúť, prúd ďalej prechádza a nakoniec sa medený vodič sfúkne. Najmä medený vodič vo vnútornej vrstve viacvrstvovej dosky plošných spojov je obklopený živicou so zlou tepelnou vodivosťou a odvod tepla je obtiažny, takže teplota nevyhnutne stúpa, takže osobitná pozornosť by sa mala venovať dizajnu šírky čiary medi. vodič. V skutočnosti pri navrhovaní rozloženia PCB je šírka stopy určená hlavne prostredím vytvárania tepla a rozptylu tepla. Plocha prierezu medeného vodiča určuje odpor vodiča (strata signálu spôsobená odporom vedenia v digitálnom obvode je zanedbateľná) a tepelná vodivosť medeného vodiča a izolačného substrátu ovplyvňuje nárast teploty, čo zase určuje prúdovú zaťažiteľnosť. Napríklad plocha prierezu medeného vodiča je konštantná. Keď je povolená hodnota prúdu 2A a hodnota nárastu teploty je nižšia ako 10 °C, šírka čiary by mala byť navrhnutá tak, aby bola 2 mm pre 35 μm medenú fóliu a 1 mm pre 70 μm medenú fóliu. . Je možné dospieť k záveru, že keď sú prierezová plocha, prípustný prúd a hodnota nárastu teploty medeného vodiča konštantné, požiadavka na rozptyl tepla môže byť splnená z dvoch aspektov, a to zväčšením hrúbky medenej fólie alebo zväčšením šírky čiary medeného vodiča. medený vodič.

2. Tepelná analýza obvodu

Tepelná analýza obvodu je rozdelená do troch krokov: najprv sa odhadne teplo generované v komponente, potom sa odhadne teplo vyžarované doskou plošných spojov alebo chladičom a nakoniec sa odhadne teplota okolia, pri ktorej bude komponent fungovať. PCB alebo chladič rozptýli teplo komponentu konvekciou, vedením alebo žiarením. K odvodu tepla dochádza hlavne prostredníctvom vedenia tepla čipového kovového oloveného rámu výkonového zariadenia a medenej fólie na doske plošných spojov. Akonáhle medená fólia PCB alebo diskrétny chladič vedie teplo, poskytuje dostatočne veľkú plochu na odvod tepla konvekciou, aby sa teplo rozptýlilo do vzduchu.

Existujú aj určité ťažkosti pri odvode tepla konvekciou. Pri vysokých teplotách sa zvyšuje tepelný odpor. Z tohto dôvodu sa tepelný odpor používa ako parameter tepelnej analýzy. Ak je v údajoch súčiastky uvedený tepelný odpor Rja od spoja smerom von, hodnota udáva nárast teploty, keď súčiastka nie je pripojená k chladiču alebo nie je prispájkovaná k DPS. Kľúčový tepelný odpor v tepelnom dizajne je tepelný odpor Rjb od čipu k DPS a tepelný odpor Rjc od čipu k povrchu obalu. Rja je možné merať pomocou dvoch štandardných DPS JEDEC, jednej pre jednostrannú DPS a druhej pre viacvrstvovú DPS. Ak máte špecifikácie Rjb a Rjc, môžete odhadnúť skutočný nárast teploty komponentu. Pri meraní Rja nie sú na DPS žiadne ďalšie čipy. Keď sú okolo komponentov napájacie zdroje a iné čipy odvádzajúce teplo a keď je PCB v plastovom puzdre bez ventilátora s obmedzeným priestorom, skutočný nárast teploty bude vyšší ako meranie Rja. Hodnota je preto, že vrchná plocha plastového obalu väčšiny komponentov neprepúšťa takmer žiadne teplo. Tepelná vodivosť epoxidovej živice je 0,6 ~ 1 W / (m · K) (watty na meter Kelvinov), zatiaľ čo tepelná vodivosť medi je 400 W / (m · K). Preto je tepelná vodivosť medi 400 až 600-krát vyššia ako tepelná vodivosť plastu.

Posledným krokom v tepelnej analýze je odhad teploty okolia, čo je dôležité. Napríklad teplota vzduchu v laboratóriu je 25 °C a čip na stole pracuje pri 50 °C. Keď sú tieto čipy umiestnené pri teplote okolia 50 °C, teplota čipu dosiahne 75 °C. pri odhade kroku teploty okolia je niekedy nemožné určiť podmienky prostredia, v ktorých môže komponent pracovať.

Pri analýze tepelnej spotreby PCB sa vo všeobecnosti analyzuje z nasledujúcich hľadísk.

(1) Spotreba elektrickej energie, to znamená spotreba energie na jednotku plochy PCB a spotreba energie na PCB.

(2) Štruktúra DPS, tj veľkosť a materiál DPS.

(3) Spôsob montáže PCB (ako je vertikálna inštalácia, horizontálna inštalácia), stav tesnenia a vzdialenosť od krytu.

(4) Tepelné žiarenie, tj emisivita povrchu DPS, teplotný rozdiel medzi DPS a priľahlým povrchom a ich absolútna teplota.

(5) Vedenie tepla, to znamená vedenie vykurovacieho telesa a iných montážnych konštrukčných prvkov.

(6) Tepelná konvekcia, to znamená prirodzená konvekcia a nútená chladiaca konvekcia.

Analýza vyššie uvedených faktorov je efektívnym spôsobom riešenia nárastu teploty PCB. V produkte a systéme sú tieto faktory často vzájomne prepojené a závislé. Väčšina faktorov by sa mala analyzovať podľa skutočnej situácie. Iba pre konkrétnu skutočnú situáciu je možné správne vypočítať alebo odhadnúť parametre, ako je nárast teploty a spotreba energie.

3. Základné požiadavky na tepelný návrh DPS

Pri navrhovaní dosky plošných spojov, najmä pri návrhu plošných spojov na povrchovú montáž, by sa mal najskôr zvážiť problém prispôsobenia koeficientu tepelnej rozťažnosti materiálu. Existujú tri typy obalových substrátov pre komponenty: tuhý organický obalový substrát, flexibilný organický obalový substrát a keramický obalový substrát. Substrát je balený štyrmi spôsobmi: technológiou lisovania, technológiou lisovanej keramiky, technológiou vrstvenej keramiky a vrstveného plastu. Materiály použité na substrát sú hlavne vysokoteplotná epoxidová živica, BT živica, polyimid, keramika a žiaruvzdorné sklo. Tieto materiály majú vysokú teplotnú odolnosť a nízke koeficienty tepelnej rozťažnosti v smere X a Y. Pri výbere materiálu PCB by ste mali pochopiť formu balenia komponentu a materiál substrátu a zvážiť teplotný rozsah procesu spájkovania komponentov. Vyberte podklad s koeficientom tepelnej rozťažnosti tak, aby zodpovedal tepelnému namáhaniu spôsobenému rozdielom koeficientu tepelnej rozťažnosti materiálu. .

Mnoho komponentov používa keramický obalový substrát, jeho koeficient tepelnej rozťažnosti je zvyčajne (5 ~ 7) × 10-6 / stupeň C, koeficient tepelnej rozťažnosti bezolovnatého keramického nosiča čipu LCCC je (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / stupeň . Niektoré substráty komponentov používajú rovnaké materiály ako niektoré substráty PCB, ako napríklad PI, BT a tepelne odolný epoxid. Pri výbere substrátu DPS by sa mal koeficient tepelnej rozťažnosti substrátu zvážiť čo najbližšie k koeficientu tepelnej rozťažnosti materiálu substrátu komponentu.

Vodič dosky plošných spojov má nárast teploty v dôsledku prechádzajúceho prúdu a teplota okolia by nemala presiahnuť 125 stupňov C (typické hodnoty sú bežné v závislosti od zvoleného substrátu). Keďže súčiastky sú namontované na DPS a tiež vyžarujú časť tepla, ktoré ovplyvňuje prevádzkovú teplotu DPS, pri výbere materiálu DPS a dizajnu DPS by sa mali zohľadniť tieto faktory. Teplota horúceho bodu by nemala presiahnuť 125 stupňov. Substrát PCB by mal byť vybraný čo najviac s hrubšou medenou fóliou. V špeciálnych prípadoch možno zvoliť substrát s malým tepelným odporom ako je hliníková základňa alebo keramická základňa a k tepelnému dizajnu DPS prispieva aj viacvrstvová štruktúra.

V súčasnosti široko používanými substrátmi PCB sú substráty epoxidového skleneného plátna potiahnutého meďou alebo substráty skleneného plátna z fenolovej živice a malé množstvo substrátov plátovaných meďou na báze papiera. Hoci tieto substráty majú vynikajúce elektrické vlastnosti a spracovateľské vlastnosti, majú slabý odvod tepla. Ako prostriedok na odvádzanie tepla pre komponenty generujúce vysoké teplo sa sotva očakáva, že bude viesť teplo zo živice samotnej dosky plošných spojov, ale že bude teplo odvádzať z povrchu komponentov do okolitého vzduchu. Keď však elektronické produkty vstupujú do éry miniaturizácie, montáže s vysokou hustotou a montáže s vysokou teplotou, nestačí odvádzať teplo veľmi malou plochou povrchu komponentov. Zároveň je vďaka veľkému počtu komponentov na povrchovú montáž, ako sú QFP a BGA, teplo generované komponentmi prenášané do PCB vo veľkých množstvách. Preto najlepším spôsobom, ako vyriešiť odvod tepla, je zlepšiť schopnosť odvádzania tepla samotnej dosky plošných spojov v priamom kontakte s komponentmi generujúcimi teplo. PCB je vyvedený von alebo emitovaný.

4. Tepelný dizajn PCB

Tepelný dizajn PCB má tri opatrenia: zníženie výkonu, odvod tepla a rozloženie. Zníženie tepla nemá vytvárať teplo; rozptyl tepla má viesť alebo odvádzať teplo, ktoré neovplyvňuje komponenty; usporiadanie je také, že ak sa teplo nerozptyľuje, komponenty citlivé na teplo môžu byť izolované usporiadaním. Zníženie spotreby je najzásadnejším riešením. Existujú dva hlavné prístupy k zníženiu výkonu a návrhu s nízkou spotrebou, ale je potrebné ich analyzovať v kombinácii so špecifickými návrhmi. Pri výbere súčiastok sa snažte použiť súčiastky s malým vývinom tepla, ako sú čipové rezistory, drôtové rezistory (menej uhlíkové filmové rezistory), monolitické kondenzátory, tantalové kondenzátory (menej papierových kondenzátorov), obvody MOS, CMOS (menej používané) ∗ elektrónka), zariadenia na povrchovú montáž a pod. Okrem výberu komponentov s nízkym výkonom je jedným z riešení aj teplotná kompenzácia a riadenie niektorých špeciálnych komponentov citlivých na teplotu.

Pri znižovaní je potrebné zvážiť spôsob zníženia spotreby. Predpokladajme, že tenký drôt je nominálne schopný prejsť 10A prúdu. Prúd na ňom generuje viac tepla a drôt je zahustený, aby sa zväčšila rezerva. Nominálne prechádza cez 20A. Keď prúd prechádza cez 10A, tepelné straty v dôsledku vnútorného odporu sa znížia a teplo je malé. Okrem toho, vzhľadom na dizajn zníženia výkonu, keď sa zvýši okolitá teplota, v prípade, keď sa výkon komponentu zníži, kvôli rezerve, aj keď sa výkon zníži, požiadavka môže byť splnená. Za daných podmienok, keď teplota komponentov v obvode stúpne nad teplotu zaručenú spoľahlivosťou, mali by sa prijať vhodné opatrenia na odvod tepla na zníženie teploty na pracovný rozsah spoľahlivosti, čo je konečným cieľom tepelného návrhu.

Odvod tepla je hlavným obsahom tepelného dizajnu PCB. Pre PCB existujú tri základné typy rozptylu tepla: vedenie tepla, prúdenie a žiarenie. Tepelné vedenie a konvekcia sú hlavnými prostriedkami na odvod tepla. Bežným spôsobom odvádzania tepla je použitie chladiča na vedenie tepla zo zdroja tepla a jeho odvádzanie konvekciou vzduchu. Žiarenie je použitie elektromagnetických vĺn v priestore na rozptýlenie tepla, ktoré má malé množstvo rozptylu tepla a zvyčajne sa používa ako pomocný prostriedok na rozptyl tepla.

Účelom tepelného návrhu DPS je prijať vhodné opatrenia a metódy na zníženie teploty komponentov a teploty DPS, aby systém správne fungoval pri správnej teplote. Z hľadiska uľahčenia odvodu tepla je doska plošných spojov prednostne namontovaná vzpriamene a vzdialenosť medzi plošnými spojmi a plošnými spojmi nie je vo všeobecnosti menšia ako 2 cm.