Руководство по температуре печатной платы

Перейти к:

• Как измерить температуру печатной платы
• Сколько тепла может выдержать печатная плата?
• Распространенные причины сильного нагрева печатной платы
• Как предотвратить перегрев печатной платы
• Свяжитесь с MCL для всех ваших потребностей в печатных платах

Температура является важным элементом безопасности, надежности и производительности печатных плат. Высокие температуры могут быстро привести к сбоям в работе и необратимому повреждению.

Несколько обстоятельств могут привести к нагреву печатной платы. Компонент, установленный на печатной плате, может сильно нагреваться. Внешний элемент — например, другой компонент в сложной системе, такой как аэрокосмическая система или медицинское приложение, — может выделять чрезмерное количество тепла. На печатной плате может накапливаться тепло из-за недостаточной вентиляции. Или во время сборки печатной платы тепло, выделяемое при сверлении и пайке, может вызвать чрезмерную тепловую нагрузку на компоненты и привести к дефектам плат.

Какой бы ни была причина, инженерам нужны способы управления теплом, чтобы печатные платы могли выдерживать высокие термические нагрузки, с которыми они неизбежно столкнутся. Каковы некоторые эффективные методы отвода тепла от печатных плат и способы предотвращения повышения температуры печатных плат? Ниже мы ответим на эти вопросы более подробно.

Почему важен мониторинг температуры печатной платы?

Мониторинг температуры печатной платы имеет решающее значение, поскольку высокие температуры могут изменить структуру печатной платы и снизить ее производительность или привести к ее выходу из строя.

Измерение температуры печатных плат также имеет решающее значение, поскольку проблемы, возникающие в результате высоких температур, не остаются локализованными. Они могут быстро распространиться на другие компоненты печатной платы и вызвать целый ряд сбоев и повреждений.

Чрезмерный нагрев печатной платы может привести к следующим типам повреждений:

• Потеря структурной целостности: Чрезмерное тепло может повредить целостность печатной платы. Слои печатной платы очень чувствительны к колебаниям температуры, и когда они становятся слишком горячими или холодными, они расширяются и сжимаются. Чрезмерный нагрев может привести к деформации длины, ширины и толщины различных слоев печатной платы.
• Разрыв линий электропередач: Чрезмерный нагрев также может привести к повреждению цепи. Линии цепи расширяются и меняют форму при перегреве. Как только это происходит, схемы становятся восприимчивыми к частотным сдвигам, искажениям и прямым потерям. Импеданс проводника также может отклоняться от стандартного значения 50 Ом. Цепи миллиметрового диапазона и микроволновые цепи, в частности, имеют крошечные, хрупкие компоненты, которые могут легко повредиться, если они расширятся и деформируются при высоких температурах.
• Несовместимые скорости расширения материала: Отмеченные выше вредные эффекты усугубляются тем фактом, что разные материалы расширяются с разной скоростью. Печатная плата имеет два основных типа слоев:диэлектрические слои и проводящие металлические слои. Поскольку они содержат разные материалы, они по-разному расширяются в ответ на тепло. Таким образом, перегрев печатной платы может привести к дальнейшему повреждению, поскольку различные типы слоев расходятся.
• Окисление: Окисление компонентов печатных плат также вызывает беспокойство при высоких температурах. Открытый диалектический материал в печатных платах не имеет защиты от окисления, если он не имеет защитного ламинированного покрытия. В этом случае материал может заржаветь после воздействия высокой температуры. Часто это приводит к потере линий передачи и более высокому коэффициенту рассеяния.

Как измерить температуру печатной платы

Прежде чем измерять температуру печатной платы, необходимо определить основной источник тепла на печатной плате — обычно это микроконтроллер или микропроцессор, — а также найти датчики температуры.

Также необходимо найти контакты заземления (GND), которые обычно крепятся к подложке источника тепла. Большой процент тепла, выделяемого на печатной плате, передается на датчик температуры через эти контакты GND. Поскольку контакты соединяются с подложкой, они имеют наименьшее тепловое сопротивление среди всех компонентов печатной платы между датчиком температуры и источником тепла.

Как только вы получите эту информацию, можно приступать к мониторингу температуры. Измерение температуры печатной платы обычно включает три этапа:

1. Поместите заземляющую пластину между датчиками температуры и источником тепла.
2. Подключите контакты GND каждого датчика температуры к плоскости заземления источника тепла.
3. Убедитесь, что датчики температуры и источник тепла расположены близко друг к другу на печатной плате.

Выполнение этих шагов позволит вам измерять температуру основного источника тепла — и, следовательно, печатной платы в целом — с точностью и точностью.

Какая максимальная температура может выдержать печатная плата?

Сколько тепла может выдержать печатная плата, зависит от материалов, из которых она состоит. Материалы с оптимальными термическими свойствами обеспечивают надежную устойчивость к воздействию высокой температуры, в то время как некоторые материалы менее надежно выдерживают высокие температуры. Показатель, известный как температура стеклования (TG), помогает определить это сопротивление. Например, FR-4 имеет ТГ около 135 градусов Цельсия.

ПХБ обычно определяют как высокотемпературные ПХБ, если они могут выдерживать предельную температуру 150 градусов Цельсия. Некоторые высокотемпературные печатные платы могут выдерживать даже более высокие температуры, но платы, изготовленные из материалов с меньшей термостойкостью, смогут безопасно работать только при гораздо более низких температурах. Высокотемпературные печатные платы становятся все более и более распространенными в таких областях, как автомобильная промышленность и промышленность, где экстремальные температуры являются частью рабочей среды.

Распространенные причины сильного нагрева печатной платы

1. Неисправность компонента, вызывающая рассеяние

Одной из распространенных причин сильного нагрева печатной платы является то, что один из компонентов печатной платы выходит из строя и рассеивается, не в состоянии генерировать количество энергии, которое он обычно производит. Когда это происходит, окружающие компоненты должны генерировать больше энергии для компенсации. Повышение мощности приводит к риску перегрева.

2. Сквозная интерференция

Компоненты сквозного отверстия и компоненты радиатора являются компонентами печатной платы, обеспечивающими питание. Они выделяют тепло и рассеивают его в воздухе. Если радиатор припаян неправильно или если другой компонент печатной платы мешает сквозному отверстию, другие компоненты будут генерировать больше тепла, чем обычно, для компенсации. Этот сценарий также приводит к риску перегрева.

3. Расстояние до устройства для поверхностного монтажа

Устройства поверхностного монтажа (SMD) подключаются к печатной плате так же, как и компоненты сквозного монтажа. Они обеспечивают более плавный поток тока через компоненты сквозного отверстия и радиатора. Но сквозные компоненты и SMD должны быть расположены на правильном расстоянии друг от друга. Если они слишком далеко, потоку придется двигаться дальше. Дополнительное время, необходимое току для прохождения, может привести к тому, что принимающие компоненты будут слишком долго оставаться холодными. Когда это произойдет, другие компоненты могут перегреться, чтобы компенсировать это.

4. Высокочастотные схемы

Высокие температуры особенно вероятны в приложениях, использующих высокочастотные цепи. Причина в том, что при выработке большей мощности естественным образом выделяется больше тепла.

Радиочастотные схемы, например, представляют собой быстрорастущий сектор в разработке печатных плат. Эти схемы очень сложны, но имеют множество полезных применений, от безопасности беспроводной сети в медицинских и промышленных продуктах до смартфонов. Эти высокочастотные цепи имеют тенденцию выделять огромное количество тепла, поэтому для этих типов печатных плат необходимы специальные методы проектирования.

5. Бессвинцовый припой

В целом, индустрия печатных плат движется к ограничению использования опасных веществ (RoHS). В печатных платах RoHS используется бессвинцовый припой, а бессвинцовый припой требует высоких температур, чтобы он мог свободно течь.

Как предотвратить перегрев печатной платы

Как мы видели, предотвращение повышения температуры печатной платы имеет решающее значение. Но как можно уменьшить нагрев печатной платы? Инженеры могут использовать несколько различных методов отвода тепла от печатных плат:

1. Радиаторы

По сути, печатная плата представляет собой фабрику по производству тепла из-за всех содержащихся в ней компонентов, производящих тепло. Печатной плате нужен какой-то способ рассеять всю эту тепловую энергию. Как правило, ответ включает в себя радиаторы. Радиаторы безопасно рассеивают тепло, поэтому оно не накапливается и не повреждает плату.

2. Поклонники

Большинство электронных устройств содержат вентиляторы для охлаждения, и отчасти эти вентиляторы предназначены для охлаждения печатных плат. Охлаждающие вентиляторы отводят тепло от электронных устройств, пропуская внутрь холодный воздух, помогая предотвратить перегрев и продлевая срок службы и производительность печатной платы.

3. Учет материалов и компонентов

Выбор термостойких материалов — одна из наиболее эффективных стратегий снижения тепла в печатной плате. Например, тяжелые медные печатные платы, изготовленные из толстых медных пластин, являются отличным выбором благодаря своей долговечности и способности выдерживать высокие температуры. Они выдерживают более высокие уровни тока, выдерживают более высокие температуры в течение более длительного времени и обеспечивают более прочные точки соединения, чем стандартные печатные платы. По этим причинам они особенно полезны в автомобильной, авиационной, тяжелой технике и силовых преобразователях, а также в других тяжелых условиях эксплуатации.

Многие ПХБ содержат FR-4, который, хотя и полезен в качестве антипирена, не выдерживает экстремально высоких температур. Знание того, что печатная плата содержит в своей конструкции FR-4, позволяет инженерам проектировать схемы, которые не будут выделять больше тепла, чем может выдержать материал.

Такие материалы, как радиочастотные материалы, используемые в радиочастотных цепях, и полиамид, также чувствительны к высоким температурам. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) чрезвычайно распространен в ВЧ-платах, но он может размазываться под воздействием тепла при сверлении, и это пятно очень трудно удалить. Эти материалы не так распространены в печатных платах, как FR-4, но инженерам следует соблюдать осторожность при разработке своих конструкций, если они также работают с этими материалами. В таких ситуациях настоятельно рекомендуется использовать высокотемпературный ламинат.

4. Увеличение толщины и ширины пластины

В печатных платах более толстые пластины менее эффективно проводят тепло, чем более тонкие. Им требуется больше энергии для достижения высоких температур, поэтому при правильном проектировании они могут помочь снизить риск перегрева, деформации и выхода из строя.

5. Нанесение ламината

Нанесение ламината — еще один способ предотвратить повреждение от высоких температур. Высокотемпературные ламинаты для печатных плат могут предотвратить перегрев, обеспечивая теплозащиту компонентов печатной платы.

Высокотемпературные ламинаты должны обладать следующими защитными свойствами:

• Температура стеклования (TG):Температура стеклования относится к температуре, при которой полимеры термодинамически переходят от жесткого к мягкому. Печатные платы High-TG обеспечивают превосходную защиту.
• Время до расслаивания. Высокая температура может со временем расслоить ламинат печатной платы. Лучшие ламинаты долго расслаиваются при высоких температурах.
• Влагопоглощение:ламинаты для печатных плат должны обладать надежными защитными свойствами влагопоглощения. Если печатная плата будет работать в контролируемой среде, такой как лаборатория, поглощение влаги может не иметь высокого приоритета. Но если печатная плата будет работать в среде, где она может подвергаться воздействию элементов, критически важными будут адекватные возможности поглощения влаги.
• Температура разложения (TD):Температура разложения относится к температуре, при которой 5% массы ламината теряется из-за разложения. Высокая температура разложения обеспечивает превосходную защиту.
• Расширение по оси Z. Расширение по оси Z означает расширение материала по оси Z в процентах от коэффициента теплового расширения. Более низкое расширение по оси Z также обеспечивает превосходную защиту.

6. Выравнивание CTE

Коэффициент теплового расширения (КТР) измеряет степень расширения материала при воздействии высоких температур. При проектировании печатных плат идеально, чтобы диэлектрические слои имели КТР, аналогичный КТР медных слоев. Таким образом, если слои расширяются, они делают это равномерно, что приводит к минимальным повреждениям.

В многослойном стеке, если CTE не выровнены, слои будут расширяться с совершенно разной скоростью, что может вызвать деформацию и разрушение. Если это неравномерное расширение происходит во время сборки печатной платы, несоосность также может вызвать серьезные проблемы при сверлении.

Выбор материалов для печатных плат с более низким КТР помогает предотвратить перегрев. Например, ПТФЭ, наполненный тканым стекловолокном или микростекловолокном, обладает отличными электрическими характеристиками, но при этом имеет высокий КТР. Таким образом, этот материал является плохим выбором, когда термическая вязкость является главным приоритетом. С другой стороны, ПТФЭ, наполненный керамикой, имеет более низкий КТР и намного лучше работает при высоких температурах, хотя и немного теряет в электрических характеристиках.

7. Поддержание адекватного интервала

Определение расстояния между компонентами на печатной плате может быть сложным процессом. Когда компоненты платы расположены слишком близко друг к другу, могут возникнуть перекрестные помехи, то есть различные компоненты могут начать взаимодействовать друг с другом нежелательным образом. Эти нежелательные взаимодействия приводят к так называемому скин-эффекту. Когда возникает скин-эффект, сопротивления дорожки увеличиваются, что приводит к резистивным потерям и дополнительному нагреву цепи. Скин-эффект особенно характерен для высокочастотных печатных плат, поэтому инженеры должны уделять особое внимание расстоянию между компонентами, чтобы платы не перегревались.

8. Правильная интеграция тепловых трубок

Тепловые трубки в печатной плате также могут способствовать рассеиванию тепла. Жидкость в трубах может поглощать тепло и предотвращать повреждение компонентов платы.

9. Максимизация RTI и MOT

Относительный термический индекс (RTI) и максимальная рабочая температура (MOT) — это два важных измерения, которым инженеры должны уделять особое внимание при проектировании печатных плат.

RTI указывает на самую высокую температуру, которую материал может выдерживать без изменения своих свойств или снижения своих характеристик. MOT относится к самой высокой температуре, которую может выдержать конкретная конфигурация печатной платы без изменения ее свойств или снижения ее производительности. Инженеры должны учитывать оба этих параметра при проектировании печатных плат и выбирать материалы и компоненты схемы с надежной термостойкостью, определяемой этими показателями.

Свяжитесь с MCL для всех ваших потребностей в печатных платах

Если вам нужны печатные платы, предназначенные для контроля температуры, сделайте Millenium Circuits Limited своим надежным поставщиком инженерных решений. Наши высокотемпературные ламинаты для печатных плат помогают снизить риск перегрева печатных плат, а наши печатные платы из тяжелой меди и печатные платы с высоким TG обладают превосходной способностью выдерживать высокие температуры. Мы также можем помочь в разработке нестандартных печатных плат в соответствии с вашими спецификациями.

Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать цену или узнать больше.

Запросить бесплатное предложение