PCB thermische analyse en thermische ontwerptechnieken

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SCHitec) is een hightech onderneming die gespecialiseerd is in de productie en verkoop van telefoonaccessoires. Onze belangrijkste producten zijn reisladers, autoladers, USB-kabels, powerbanks en andere digitale producten. Alle producten zijn veilig en betrouwbaar, met unieke stijlen. Producten passeren certificaten zoals CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick, enz. , Als u hierin geïnteresseerd bent, kunt u rechtstreeks contact opnemen met ceo@schitec.com.

Blijf veilig opladen met SChitec

PCB thermische analyse en thermische ontwerptechnieken

1. Bron van PCB-warmte

Naast de nuttige arbeid wordt een deel van het stroomverbruik van de voedingsadapter tijdens bedrijf omgezet in warmte. De door de voedingsadapter gegenereerde warmte zorgt ervoor dat de interne temperatuur snel stijgt. Als de warmte niet op tijd wordt afgevoerd, zal de temperatuur blijven stijgen en zullen de componenten defect raken als gevolg van oververhitting, en zal de betrouwbaarheid van de voedingsadapter afnemen. SMT verhoogt de montagedichtheid van componenten van de voedingsadapter, verkleint het effectieve warmtedissipatiegebied en de temperatuurstijging van de voedingsadapter heeft ernstige gevolgen voor de betrouwbaarheid. Daarom is onderzoek naar het thermische ontwerp van de printplaat van de voedingsadapter erg belangrijk. De directe oorzaak van de temperatuurstijging van de printplaat van de voedingsadapter is te wijten aan het bestaan ​​van circuitvoedingscomponenten, de elektronische componenten hebben een verschillende mate van stroomverbruik en de warmte-intensiteit varieert met het stroomverbruik. De twee verschijnselen van temperatuurstijging in PCB zijn: 1 lokale temperatuurstijging of temperatuurstijging in een groot gebied; 2 korte tijd temperatuurstijging of lange tijd temperatuurstijging.

Er zijn drie belangrijke warmtebronnen in de printplaat van de stroomadapter: de hitte van de elektronische componenten, de hitte van de printplaat zelf en de hitte van andere onderdelen. Van de drie warmtebronnen genereert het onderdeel de grootste hoeveelheid warmte, wat de belangrijkste warmtebron is, gevolgd door de warmte die door de PCB wordt gegenereerd. De externe warmte-inbreng is afhankelijk van het algehele thermische ontwerp van de voedingsadapter.

De warmteontwikkeling van componenten wordt bepaald door hun energieverbruik. Daarom moeten componenten met een laag energieverbruik als eerste in het ontwerp worden geselecteerd om de warmteontwikkeling te minimaliseren. De tweede is de instelling van het werkpunt van het onderdeel. Over het algemeen moet deze binnen het nominale werkbereik worden geselecteerd. Bij het werken in dit bereik zijn de prestaties goed, het stroomverbruik klein en de levensduur lang. Het voedingsapparaat zelf genereert een grote hoeveelheid warmte en moet zo worden ontworpen dat werking bij volledige belasting wordt vermeden. Voor apparaten met een hoog vermogen moet het principe van derating-ontwerp worden geïmplementeerd en moet de ontwerprijkdom op passende wijze worden vergroot, wat gunstig is voor het vergroten van de stabiliteit, betrouwbaarheid en warmteontwikkeling van de voedingsadapter.

De PCB is samengesteld uit een koperen geleider en een isolerend diëlektrisch materiaal, en algemeen wordt aangenomen dat het isolerende diëlektrische materiaal geen warmte genereert. De koperen geleider heeft een weerstand vanwege koper zelf. Wanneer de stroom passeert, zal deze warmte genereren. Wanneer een kleine stroom van mA (milliampère) en μA (microampère) wordt doorgegeven, is het verwarmingsprobleem verwaarloosbaar, maar als de stroom hoog is (100 mA of meer). Als u passeert, kunt u dit niet negeren. Het is vermeldenswaard dat wanneer de temperatuur van de koperen geleider stijgt tot 85 graden C, het isolatiemateriaal zelf begint te vergelen, de stroom blijft passeren en uiteindelijk de koperen geleider wordt doorgeblazen. In het bijzonder is de koperen geleider in de binnenlaag van de meerlaagse PCB omgeven door een hars met een slechte warmtegeleiding, en warmteafvoer is moeilijk, dus de temperatuur stijgt onvermijdelijk, dus er moet speciale aandacht worden besteed aan het lijnbreedteontwerp van het koper geleider. Bij het ontwerpen van de PCB-lay-out wordt de spoorbreedte feitelijk voornamelijk bepaald door de warmteopwekking en warmtedissipatieomgeving. Het dwarsdoorsnedeoppervlak van de koperen geleider bepaalt de draadweerstand (het signaalverlies veroorzaakt door de lijnweerstand in het digitale circuit is verwaarloosbaar), en de thermische geleidbaarheid van de koperen geleider en het isolerende substraat beïnvloedt de temperatuurstijging, wat op zijn beurt bepaalt de huidige draagkracht. Het dwarsdoorsnedeoppervlak van de koperen geleider is bijvoorbeeld constant. Wanneer de toegestane stroomwaarde 2A is en de temperatuurstijgingswaarde lager is dan 10 graden C, moet de lijnbreedte zo worden ontworpen dat deze 2 mm is voor de koperfolie van 35 μm en 1 mm voor de koperfolie van 70 μm. . Er kan worden geconcludeerd dat wanneer het dwarsdoorsnedeoppervlak, de toegestane stroom en de temperatuurstijging van de koperen geleider constant zijn, aan de eis voor warmtedissipatie kan worden voldaan vanuit twee aspecten: het vergroten van de dikte van de koperfolie of het vergroten van de lijnbreedte van de koperfolie. koperen geleider.

2. Thermische analyse van het circuit

De thermische analyse van het circuit is onderverdeeld in drie stappen: eerst het schatten van de warmte die in het onderdeel wordt gegenereerd, vervolgens het schatten van de warmte die wordt uitgestoten door de PCB of het koellichaam, en ten slotte het schatten van de omgevingstemperatuur waarbij het onderdeel zal werken. De printplaat of het koellichaam zal de warmte van het onderdeel afvoeren door convectie, geleiding of straling. Geleidende warmteafvoer vindt voornamelijk plaats door de warmtegeleiding van het metalen leadframe van de chip van het stroomapparaat en de koperfolie op de PCB. Zodra de PCB-koperfolie of het discrete koellichaam warmte geleidt, biedt deze een voldoende groot oppervlak voor convectieve warmtedissipatie om warmte in de lucht af te voeren.

Er zijn ook enkele problemen bij de afvoer van convectiewarmte. Bij hoge temperaturen neemt de thermische weerstand toe. Om deze reden wordt thermische weerstand gebruikt als parameter voor thermische analyse. Als de thermische weerstand Rja van de junctie naar buiten wordt vermeld in de componentgegevens, geeft de waarde de temperatuurstijging aan wanneer het component niet op het koellichaam is aangesloten of niet op de printplaat is gesoldeerd. De belangrijkste thermische weerstand bij thermisch ontwerp is de thermische weerstand Rjb van de chip naar de PCB en de thermische weerstand Rjc van de chip naar het verpakkingsoppervlak. Rja kan worden gemeten met twee JEDEC-standaardprintplaten, één voor enkelzijdige printplaten en de andere voor meerlaagse printplaten. Als u over Rjb- en Rjc-specificaties beschikt, kunt u de werkelijke temperatuurstijging van het onderdeel schatten. Bij het meten van Rja zijn er geen andere chips op de printplaat. Als er voedingen en andere warmteafvoerende chips rond de componenten zitten, en als de printplaat zich in een ventilatorloze plastic behuizing met beperkte ruimte bevindt, zal de werkelijke temperatuurstijging hoger zijn dan de Rja-meting. De waarde komt doordat het bovenoppervlak van de plastic behuizing van de meeste componenten bijna geen warmte doorlaat. De thermische geleidbaarheid van epoxyhars is 0.6 ~ 1W / (m · K) (watt per meter Kelvin), terwijl de thermische geleidbaarheid van koper 400 W / (m · K) is. Daarom is de thermische geleidbaarheid van koper 400 tot 600 keer hoger dan die van plastic.

De laatste stap bij thermische analyse is het schatten van de omgevingstemperatuur, wat belangrijk is. De laboratoriumluchttemperatuur is bijvoorbeeld 25 graden C en de chip op de bank werkt op 50 graden C. Wanneer deze chips bij een omgevingstemperatuur van 50 graden C worden geplaatst, zal de temperatuur van de chip 75 graden C bereiken. Bij het schatten van de omgevingstemperatuurstap is het soms onmogelijk om de omgevingsomstandigheden te bepalen waarin het onderdeel kan werken.

Bij het analyseren van het thermische energieverbruik van PCB's wordt dit over het algemeen geanalyseerd op basis van de volgende aspecten.

(1) Elektriciteitsverbruik, dat wil zeggen het energieverbruik per oppervlakte-eenheid van de printplaat en het stroomverbruik op de printplaat.

(2) De structuur van de PCB, dwz de grootte en het materiaal van de PCB.

(3) PCB-montagemethode (zoals verticale installatie, horizontale installatie), afdichtingsconditie en afstand tot de behuizing.

(4) Thermische straling, dwz de emissiviteit van het PCB-oppervlak, het temperatuurverschil tussen de PCB en het aangrenzende oppervlak en hun absolute temperatuur.

(5) Warmtegeleiding, dat wil zeggen de geleiding van de radiator en andere structurele montagecomponenten.

(6) Thermische convectie, dat wil zeggen natuurlijke convectie en geforceerde koelconvectie.

De analyse van bovengenoemde factoren is een effectieve manier om de PCB-temperatuurstijging op te lossen. Vaak zijn deze factoren in een product en systeem onderling verbonden en afhankelijk. De meeste factoren moeten worden geanalyseerd op basis van de werkelijke situatie. Alleen voor een specifieke feitelijke situatie kunnen de parameters zoals temperatuurstijging en energieverbruik correct worden berekend of geschat.

3. Basisvereisten voor het thermische ontwerp van PCB's

Bij het ontwerpen van een PCB, vooral bij PCB-ontwerp voor opbouwmontage, moet eerst rekening worden gehouden met het aanpassingsprobleem van de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal. Er zijn drie soorten verpakkingssubstraten voor componenten: stijf organisch pakketsubstraat, flexibel organisch verpakkingssubstraat en keramisch verpakkingssubstraat. Het substraat wordt op vier manieren verpakt: vormtechnologie, gegoten keramische technologie, gelamineerde keramische technologie en gelamineerd plastic. De materialen die voor het substraat worden gebruikt, zijn voornamelijk epoxyhars voor hoge temperaturen, BT-hars, polyimide, keramiek en vuurvast glas. Deze materialen hebben een hoge temperatuurbestendigheid en lage thermische uitzettingscoëfficiënten in de X- en Y-richting. Bij het selecteren van het PCB-materiaal moet u de verpakkingsvorm van de component en het materiaal van het substraat begrijpen en rekening houden met het temperatuurvariatiebereik van het soldeerproces van de component. Selecteer het substraat met de thermische uitzettingscoëfficiënt die overeenkomt met de thermische spanning die wordt veroorzaakt door het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal. .

Veel componenten maken gebruik van een keramisch pakketsubstraat, de thermische uitzettingscoëfficiënt is doorgaans (5 ~ 7) × 10-6 / graad C, de thermische uitzettingscoëfficiënt van de loodloze keramische chipdrager LCCC is (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / rang . Sommige componentsubstraten gebruiken dezelfde materialen als sommige PCB-substraten, zoals PI, BT en hittebestendige epoxy. Bij het selecteren van het substraat van de PCB moet er rekening mee worden gehouden dat de thermische uitzettingscoëfficiënt van het substraat zo dicht mogelijk bij de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal van het componentsubstraat ligt.

De geleider van de printplaat is bestand tegen temperatuurstijging als gevolg van de passerende stroom en de omgevingstemperatuur mag niet hoger zijn dan 125 graden C (typische waarden zijn gebruikelijk, afhankelijk van het geselecteerde substraat). Omdat componenten op de printplaat worden gemonteerd en ook een deel van de warmte afgeven die de bedrijfstemperatuur van de printplaat beïnvloedt, moet met deze factoren rekening worden gehouden bij de keuze van het printmateriaal en het printontwerp. De hotspottemperatuur mag niet hoger zijn dan 125 graden. Het PCB-substraat moet zoveel mogelijk worden geselecteerd met een dikkere koperfolie. In speciale gevallen kan een substraat met een kleine thermische weerstand, zoals een aluminium basis of een keramische basis, worden geselecteerd, en ook de meerlaagse structuur draagt ​​bij aan het thermische ontwerp van de printplaat.

Momenteel veel gebruikte PCB-substraten zijn met koper beklede epoxyglasdoeksubstraten of fenolharsglasdoeksubstraten, en een kleine hoeveelheid op papier gebaseerde, met koper beklede substraten. Hoewel deze substraten uitstekende elektrische eigenschappen en verwerkingseigenschappen hebben, hebben ze een slechte warmteafvoer. Als warmtedissiperend middel voor componenten die veel warmte genereren, wordt nauwelijks verwacht dat het warmte van de hars van de PCB zelf geleidt, maar dat het warmte van het oppervlak van de componenten naar de omringende lucht afvoert. Nu elektronische producten echter het tijdperk van miniaturisatie, montage met hoge dichtheid en assemblage onder hoge temperaturen ingaan, is het niet voldoende om warmte af te voeren via een zeer klein componentoppervlak. Tegelijkertijd wordt, vanwege het grote aantal opbouwcomponenten zoals QFP en BGA, de door de componenten gegenereerde warmte in grote hoeveelheden naar de PCB overgebracht. Daarom is de beste manier om de warmtedissipatie op te lossen het verbeteren van de warmteafvoercapaciteit van de PCB zelf in direct contact met de warmtegenererende componenten. De PCB wordt naar buiten geleid of uitgezonden.

4. Thermisch ontwerp van PCB

Er zijn drie maatregelen in het thermische ontwerp van de PCB: vermogensreductie, warmteafvoer en lay-out. Het verminderen van warmte is niet bedoeld om warmte te genereren; de warmteafvoer is bedoeld om warmte te geleiden of af te voeren, wat de componenten niet beïnvloedt; de lay-out is dat als de warmte niet wordt afgevoerd, de warmtegevoelige componenten door lay-out kunnen worden geïsoleerd. Het terugdringen van de consumptie is de meest fundamentele oplossing. Er zijn twee hoofdbenaderingen voor derating en ontwerpen met laag vermogen, maar deze moeten worden geanalyseerd in combinatie met specifieke ontwerpen. Probeer bij het selecteren van componenten componenten te gebruiken met een kleine warmteontwikkeling, zoals chipweerstanden, draadgewonden weerstanden (minder koolstoffilmweerstanden), monolithische condensatoren, tantaalcondensatoren (minder papiercondensatoren), MOS, CMOS-circuits (minder gebruikt) (buis), opbouwapparaten, enz. Naast het selecteren van componenten met een laag vermogen, behoort ook temperatuurcompensatie en controle van enkele temperatuurgevoelige speciale componenten tot de oplossingen.

Bij derating moet worden nagedacht over de manier waarop het verbruik kan worden teruggedrongen. Stel dat een dunne draad nominaal 10 A stroom kan doorlaten. De stroom genereert meer warmte en de draad wordt dikker om de marge te vergroten. Het wordt nominaal doorgegeven via 20A. Wanneer de stroom door 10A wordt geleid, wordt het warmteverlies als gevolg van interne weerstand verminderd en is de warmte klein. Bovendien kan, vanwege het derating-ontwerp, aan de eis worden voldaan wanneer de omgevingstemperatuur stijgt, in het geval dat de prestaties van het onderdeel verslechteren, vanwege de marge, zelfs als de prestaties verslechteren. Onder de gegeven omstandigheden, wanneer de temperatuur van de componenten in het circuit boven de gegarandeerde betrouwbaarheidstemperatuur stijgt, moeten passende maatregelen voor warmteafvoer worden genomen om de temperatuur te verlagen tot het betrouwbaarheidswerkbereik, wat het uiteindelijke doel van thermisch ontwerp is.

Warmtedissipatie is de belangrijkste inhoud van het thermische ontwerp van PCB's. Voor PCB's zijn er drie basistypen warmteafvoer: thermische geleiding, convectie en straling. Thermische geleiding en convectie zijn de belangrijkste manieren voor warmteafvoer. De gebruikelijke manier om warmte af te voeren is door een koellichaam te gebruiken om warmte van de warmtebron te geleiden en deze door luchtconvectie af te voeren. Straling is het gebruik van elektromagnetische golven in de ruimte om warmte af te voeren, wat een kleine hoeveelheid warmteafvoer met zich meebrengt, en wordt meestal gebruikt als hulpmiddel voor warmteafvoer.

Het doel van PCB thermisch ontwerp is het nemen van passende maatregelen en methoden om de temperatuur van componenten en PCB-temperatuur te verlagen, zodat het systeem goed werkt bij de juiste temperatuur. Vanuit het perspectief van het vergemakkelijken van de warmteafvoer wordt de printplaat bij voorkeur rechtop gemonteerd en bedraagt ​​de afstand tussen de printplaat en de printplaat doorgaans niet minder dan 2 cm.