PCB termisk analyse og termiske designteknikker

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) er en højteknologisk virksomhed, der er specialiseret i produktion og salg af telefontilbehør. Vores hovedprodukter omfatter rejseopladere, bilopladere, USB-kabler, powerbanks og andre digitale produkter. Alle produkter er sikre og pålidelige med unikke stilarter. produkter passerer certifikater som CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick, osv. , Hvis du er interesseret i, kan du kontakte ceo@schitec.com direkte.

Bliv sikker opladning med SChitec

PCB termisk analyse og termiske designteknikker

1. Kilde til PCB varme

Ud over det nyttige arbejde omdannes en del af den strøm, der forbruges af strømadapteren under drift, til varme. Varmen genereret af strømadapteren får den interne temperatur til at stige hurtigt. Hvis varmen ikke spredes i tide, vil temperaturen fortsætte med at stige, og komponenterne vil svigte på grund af overophedning, og strømadapterens pålidelighed falder. SMT øger monteringstætheden af ​​strømadapterkomponenter, reducerer det effektive varmeafledningsområde, og temperaturstigningen på strømadapteren påvirker i høj grad pålideligheden. Derfor er forskning i det termiske design af strømadapterens PCB meget vigtig. Den direkte årsag til temperaturstigningen på strømadapterens PCB skyldes eksistensen af ​​kredsløbsstrømkomponenter, de elektroniske komponenter har forskellige grader af strømforbrug, og varmeintensiteten varierer med strømforbruget. De to fænomener med temperaturstigning i PCB er: 1 lokal temperaturstigning eller stor områdetemperaturstigning; 2 kort tids temperaturstigning eller lang tids temperaturstigning.

Der er tre hovedkilder til varme i strømadapterens printkort: varmen fra de elektroniske komponenter, varmen fra selve printkortet og varmen fra andre dele. Blandt de tre varmekilder genererer komponenten den største mængde varme, som er hovedvarmekilden, efterfulgt af den varme, der genereres af PCB. Den eksterne varmetilførsel afhænger af strømadapterens overordnede termiske design.

Komponenternes varmeudvikling bestemmes af deres strømforbrug. Derfor bør komponenter med lavt strømforbrug vælges først i designet for at minimere varmeudvikling. Den anden er indstillingen af ​​komponentens arbejdspunkt. Generelt bør det vælges inden for dets nominelle arbejdsområde. Når du arbejder i dette område, er ydeevnen god, strømforbruget er lille, og levetiden er lang. Selve strømenheden genererer en stor mængde varme og bør være designet til at undgå fuld belastning. For højeffektenheder bør princippet om derating-design implementeres, og designrigdommen bør øges passende, hvilket er gavnligt for at øge stabiliteten, pålideligheden og varmegenereringen af ​​strømadapteren.

PCB'et er sammensat af en kobberleder og et isolerende dielektrisk materiale, og det anses generelt for, at det isolerende dielektriske materiale ikke genererer varme. Kobberlederen har en modstand på grund af selve kobberet. Når strømmen passerer, vil den generere varme. Når en lille strøm på mA (milliampere) og μA (mikroampere) passeres, er opvarmningsproblemet ubetydeligt, men når strømmen er høj (100 mA eller mere) Når man passerer, kan man ikke ignorere det. Det er værd at bemærke, at når kobberledertemperaturen stiger til 85 grader C, begynder selve isoleringsmaterialet at gulne, strømmen fortsætter med at passere, og til sidst blæses kobberlederen. Især kobberlederen i det indre lag af flerlags PCB er omgivet af en harpiks med dårlig varmeledningsevne, og varmeafledning er vanskelig, så temperaturen stiger uundgåeligt, så der skal lægges særlig vægt på kobberets linjebreddedesign. leder. Faktisk bestemmes sporbredden ved design af PCB-layoutet hovedsageligt af varmeudviklingen og varmeafledningsmiljøet. Tværsnitsarealet af kobberlederen bestemmer ledningsmodstanden (signaltabet forårsaget af linjemodstanden i det digitale kredsløb er ubetydeligt), og den termiske ledningsevne af kobberlederen og det isolerende substrat påvirker temperaturstigningen, som igen bestemmer den aktuelle bæreevne. For eksempel er tværsnitsarealet af kobberlederen konstant. Når den tilladte strømværdi er 2A, og temperaturstigningsværdien er lavere end 10 grader C, skal linjebredden designes til at være 2 mm for 35 μm kobberfolie og 1 mm for 70 μm kobberfolie. . Det kan konkluderes, at når kobberlederens tværsnitsareal, tilladte strøm- og temperaturstigningsværdi er konstant, kan varmeafledningskravet opfyldes ud fra to aspekter, nemlig at øge tykkelsen af ​​kobberfolien eller øge linjebredden af kobber leder.

2. Kredsløbs termisk analyse

Kredsløbstermisk analyse er opdelt i tre trin: Først estimerer den varme, der genereres i komponenten, estimerer derefter den varme, der udsendes af PCB'en eller kølepladen, og til sidst estimerer den omgivende temperatur, som komponenten vil fungere ved. PCB'en eller kølepladen vil sprede varmen fra komponenten ved konvektion, ledning eller stråling. Ledende varmeafledning sker hovedsageligt gennem varmeledning af kraftenhedens chip metal blyramme og kobberfolien på printkortet. Når først PCB-kobberfolien eller den diskrete køleplade leder varme, giver den et stort nok overfladeareal til konvektiv varmeafledning til at sprede varme til luften.

Der er også nogle vanskeligheder ved konvektionsvarmeafledning. Ved høje temperaturer øges den termiske modstand. Af denne grund bruges termisk modstand som en termisk analyseparameter. Hvis den termiske modstand Rja fra krydset til ydersiden er angivet i komponentdataene, angiver værdien temperaturstigningen, når komponenten ikke er tilsluttet kølepladen eller ikke er loddet til printet. Den centrale termiske modstand i termisk design er den termiske modstand Rjb fra chippen til PCB'en og den termiske modstand Rjc fra chippen til emballagens overflade. Rja kan måles med to JEDEC standard printkort, et til enkeltsidet print og det andet til flerlags print. Hvis du har Rjb- og Rjc-specifikationer, kan du estimere den sande temperaturstigning for komponenten. Ved måling af Rja er der ingen andre chips på printet. Når der er strømforsyninger og andre varmeafledende chips omkring komponenterne, og når printet er i et blæserløst plasthus med begrænset plads, vil den faktiske temperaturstigning være højere end Rja-målingen. Værdien skyldes, at den øverste overflade af plastemballagen af ​​de fleste komponenter næsten ikke overfører varme. Den termiske ledningsevne af epoxyharpiks er 0.6 ~ 1W / (m · K) (watt pr. meter Kelvin), mens den termiske ledningsevne af kobber er 400W / (m · K). Derfor er den termiske ledningsevne af kobber 400 til 600 gange højere end for plast.

Det sidste trin i termisk analyse er at estimere den omgivende temperatur, hvilket er vigtigt. For eksempel er laboratorielufttemperaturen 25 grader C, og chippen på bænken arbejder ved 50 grader C. Når disse chips placeres ved en omgivende temperatur på 50 grader C, vil chippens temperatur nå 75 grader C. i estimeringen af ​​omgivelsestemperaturtrinnet er det nogle gange umuligt at bestemme de miljømæssige forhold, under hvilke komponenten kan fungere.

Når man analyserer PCB termisk strømforbrug, analyseres det generelt ud fra følgende aspekter.

(1) Elektrisk strømforbrug, det vil sige strømforbruget pr. arealenhed af printkortet og strømforbruget på printkortet.

(2) PCB'ets struktur, dvs. PCB'ets størrelse og materiale.

(3) PCB monteringsmetode (såsom lodret installation, vandret installation), tætningstilstand og afstand fra huset.

(4) Termisk stråling, dvs. PCB-overfladens emissivitet, temperaturforskellen mellem PCB'et og den tilstødende overflade og deres absolutte temperatur.

(5) Varmeledning, det vil sige radiatorens og andre monteringskonstruktionskomponenters ledning.

(6) Termisk konvektion, dvs. naturlig konvektion og tvungen kølekonvektion.

Analysen af ​​ovenstående faktorer er en effektiv måde at løse PCB-temperaturstigningen på. Ofte i et produkt og system er disse faktorer indbyrdes forbundne og afhængige. De fleste faktorer bør analyseres i henhold til den faktiske situation. Kun for en bestemt faktisk situation kan parametre som temperaturstigning og strømforbrug beregnes eller estimeres korrekt.

3. Grundlæggende krav til PCB termisk design

Ved udformning af et printkort, især til overflademonteret printkortdesign, bør materialets tilpasningsproblem for termisk udvidelseskoefficient først overvejes. Der er tre typer pakkesubstrater til komponenter: stift organisk pakkesubstrat, fleksibelt organisk pakkesubstrat og keramisk pakkesubstrat. Substratet pakkes ved fire metoder: støbeteknologi, støbt keramisk teknologi, lamineret keramisk teknologi og lamineret plast. Materialerne, der anvendes til substratet, er hovedsageligt højtemperatur-epoxyharpiks, BT-harpiks, polyimid, keramik og ildfast glas. Disse materialer har høj temperaturmodstand og lave termiske udvidelseskoefficienter i X- og Y-retningerne. Når du vælger PCB-materialet, bør du forstå komponentens pakkeform og substratets materiale og overveje temperaturvariationsområdet for komponentloddeprocessen. Vælg substratet med den termiske udvidelseskoefficient for at matche den termiske spænding forårsaget af forskellen i materialets termiske udvidelseskoefficient. .

Mange komponenter bruger keramisk pakkesubstrat, dets termiske udvidelseskoefficient er typisk (5 ~ 7) × 10-6 / grad C, den termiske udvidelseskoefficient for blyfri keramisk chipbærer LCCC er (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / grad . Nogle komponentsubstrater bruger de samme materialer som nogle PCB-substrater, såsom PI, BT og varmebestandig epoxy. Ved valg af substratet til PCB'en skal substratets termiske udvidelseskoefficient tages i betragtning så tæt som muligt på den termiske udvidelseskoefficient for materialet i komponentsubstratet.

Lederen af ​​PCB er temperaturstigning på grund af den passerende strøm, og den omgivende temperatur bør ikke overstige 125 grader C (typiske værdier er almindelige, afhængigt af det valgte substrat). Da komponenter er monteret på printet og også afgiver en del af varmen, der påvirker printets driftstemperatur, bør disse faktorer tages i betragtning ved valg af printmateriale og printdesign. Hotspot-temperaturen bør ikke overstige 125 grader. PCB-substratet bør så vidt muligt vælges med en tykkere kobberfolie. I særlige tilfælde kan der vælges et underlag med en lille termisk modstand såsom en aluminiumsbase eller en keramisk base, og flerlagsstrukturen bidrager også til printets termiske design.

I øjeblikket udbredte PCB-substrater er kobberbeklædte epoxyglasstofsubstrater eller phenolharpiksglasstofsubstrater og en lille mængde papirbaserede kobberbeklædte substrater. Selvom disse substrater har fremragende elektriske egenskaber og forarbejdningsegenskaber, har de dårlig varmeafledning. Som et varmeafledende middel til højvarmegenererende komponenter forventes det næppe at lede varme fra selve PCB'ets harpiks, men at aflede varme fra komponenternes overflade til den omgivende luft. Men efterhånden som elektroniske produkter går ind i en æra med miniaturisering, højdensitetsmontering og højvarmemontering, er det ikke nok at sprede varme med et meget lille komponentoverfladeareal. På samme tid, på grund af det store antal overflademonteringskomponenter såsom QFP og BGA, overføres varmen, der genereres af komponenterne, til PCB'et i store mængder. Derfor er den bedste måde at løse varmeafledningen på at forbedre selve printkortets varmeafledningsevne i direkte kontakt med de varmegenererende komponenter. PCB'et ledes ud eller udsendes.

4. PCB termisk design

Der er tre foranstaltninger i det termiske printdesign: effektreduktion, varmeafledning og layout. Reduktionen af ​​varme er ikke at generere varme; varmeafgivelsen er at lede eller aflede varme, som ikke påvirker komponenterne; layoutet er, at hvis varmen ikke spredes, kan de varmefølsomme komponenter isoleres ved layout. At reducere forbruget er den mest grundlæggende løsning. Der er to hovedtilgange til derating og laveffektdesign, men de skal analyseres i kombination med specifikke designs. Når du vælger komponenter, skal du prøve at bruge komponenter med lille varmeudvikling, såsom chipmodstande, trådviklede modstande (mindre kulfilmmodstande), monolitiske kondensatorer, tantalkondensatorer (mindre papirkondensatorer), MOS, CMOS-kredsløb (mindre brugt) 锗-rør), overflademonteringsenheder osv. Udover at vælge laveffektkomponenter er temperaturkompensation og styring af nogle temperaturfølsomme specialkomponenter også en af ​​løsningerne.

Derating skal overveje måden at reducere forbruget på. Antag, at en tynd ledning nominelt er i stand til at sende 10A strøm. Strømmen genererer mere varme på den, og ledningen bliver fortykket for at øge marginen. Den føres nominelt gennem 20A. Når strømmen føres gennem 10A, reduceres varmetabet på grund af intern modstand, og varmen er lille. På grund af derating-designet kan kravet desuden opfyldes, når omgivelsestemperaturen stiger, i det tilfælde, hvor komponentens ydeevne er forringet, på grund af marginen, selv hvis ydeevnen er forringet. Under de givne forhold, når temperaturen på komponenterne i kredsløbet stiger over den pålidelighedsgarantitemperatur, bør der træffes passende varmeafledningsforanstaltninger for at sænke temperaturen til driftssikkerhedsområdet, hvilket er det ultimative mål for termisk design.

Varmeafledning er hovedindholdet i PCB termisk design. For PCB er der tre grundlæggende typer varmeafledning: termisk ledning, konvektion og stråling. Termisk ledning og konvektion er de vigtigste midler til varmeafledning. Den almindelige måde at aflede varme på er at bruge en køleplade til at lede varme fra varmekilden og aflede den ved luftkonvektion. Stråling er brugen af ​​elektromagnetiske bølger i rummet til at sprede varme, som har en lille mængde varmeafledning, og som normalt bruges som et hjælpemiddel til varmeafledning.

Formålet med PCB termisk design er at træffe passende foranstaltninger og metoder til at reducere temperaturen på komponenter og PCB temperatur, så systemet fungerer korrekt ved den rigtige temperatur. Med henblik på at lette varmeafledningen monteres PCB'et fortrinsvis opretstående, og afstanden mellem PCB'et og PCB'et er generelt ikke mindre end 2 cm.