Наиболее полные принципы теплового проектирования печатных плат

Подсчитано, что более половины электронных компонентов выходят из строя из-за высоких нагрузок, вызванных температурной средой. В последние годы появились широкомасштабные устройства крупномасштабных и гипермасштабных интегральных схем (ИС) и технологии поверхностного монтажа (SMT), а электронные продукты начали охватывать направления развития в сторону миниатюризации, высокой плотности и высокой надежности. Соответственно, электронные системы предъявляют все более высокие требования к тепловым характеристикам. В конце концов, управление температурным режимом, родившееся с появлением электронных продуктов, играет решающую роль в определении производительности и функций электронных систем.

Являясь основой электронных устройств, рациональная конструкция печатных плат (печатных плат) обеспечивает их высокую производительность. Если конструкция печатной платы частично или даже полностью не соответствует тепловым требованиям, электронные устройства определенно пострадают от риска повреждения или даже выхода из строя. Постоянно растущая целостность схемных модулей и массовое применение интегральных схем и многокристальных модулей (МКМ) способствуют повышению плотности сборки компонентов, что впоследствии приводит к более высокой плотности теплового потока на печатных платах. Высококачественные печатные платы получают не только за счет точной и рациональной компоновки и трассировки, но и за счет высокой термической надежности для безопасной работы. Поэтому очень важно внедрить всесторонние правила рассеивания тепла и анализ на печатных платах. Эта статья начинается с принципов проектирования тепловых режимов при запуске и представляет удобные для инженеров правила теплового расчета, которые разработчики электроники могут легко применять в своей работе.

Основные принципы теплового проектирования

Тепловой расчет основан на базовой теории теплопередачи и гидромеханики. Там, где есть разница температур, происходит передача тепла из зоны с высокой температурой в зону с низкой температурой. Теплопередача может осуществляться за счет теплопроводности, тепловой конвекции и теплового излучения.

Формула теплопередачи отображается в виде:φ=KAΔt, где φ обозначает количество теплопередачи, единицей измерения которой является Вт, K обозначает коэффициент теплопередачи, единицей измерения которого является Вт/(м ² x K), A – площадь теплопередачи, единицей измерения которой является м ² Δt обозначает разницу температур между теплоносителем и холодным теплоносителем, единицей измерения которой является К.

Тепловое проектирование печатных плат определяется как процесс, в котором тепловое сопротивление от источника тепла до места потребления тепла снижается до минимума за счет мер охлаждения с помощью атрибутов теплопередачи или контролируется плотность теплоносителя, чтобы она находилась в допустимом диапазоне. Чтобы обеспечить его надежность, должны быть приняты допустимые теплотехнические расчеты со следующих точек зрения, в том числе:
a. Естественное охлаждение, проводящее тепло без внешней силы. Он включает теплопроводность, радиационную теплопередачу и естественную конвекцию.
b. Принудительное воздушное охлаждение. Он пропускает охлаждающий воздух через электронные устройства или компоненты, передавая тепло от источника тепла к радиатору через вентилятор или набегающий воздух.
c. Жидкостное охлаждение. Существует два метода жидкостного охлаждения:
1). Прямое жидкостное охлаждение относится к процессу, во время которого компоненты непосредственно пропитываются жидкостным хладагентом.
2). Непрямое жидкостное охлаждение относится к процессу, во время которого компоненты не находятся в прямом контакте с жидкостным хладагентом. Однако охлаждение осуществляется через теплообменник или охлаждающую пластину.
d. Испарительное охлаждение. В настоящее время это самый эффективный метод теплопроводности. Теплопередача достигается за счет вскипания охлаждающей среды.
д. Другие виды мер по охлаждению:термотрубка, охлаждающая плита, термоэлектрическое охлаждение.

В процессе управления температурным режимом могут быть приняты надлежащие теплотехнические расчетные меры в соответствии с практическими условиями, такими как практическая рабочая среда (температура, влажность, атмосферное давление, пыль и т. д.), плотность теплоносителя на борту, удельная мощность и общее энергопотребление. , площадь поверхности, объем, теплоотвод и другие особые условия, чтобы обеспечить равномерное распределение температуры и разумное повышение температуры в пределах регулируемого предельного значения.

Правила теплового дизайна

Общая цель теплового проектирования заключается в контроле температуры всех электронных компонентов, собранных на печатных платах внутри электронных изделий, для обеспечения стабильности электрических характеристик, для предотвращения или уменьшения температурного дрейфа электрических параметров, для снижения основной частоты отказов компонентов, и чтобы температура в рабочей среде не превышала максимально допустимую температуру. В этой статье описаны правила теплового проектирования печатных плат с трех точек зрения:использование компонентов на печатных платах, тепловое проектирование печатных плат, сборка компонентов и компоновка печатной платы.

а. Использование электронных компонентов

1). Как контролировать рабочую температуру компонентов?

Температура является первым элементом, влияющим на производительность компонентов и частоту отказов. Максимально допустимая рабочая температура и потребляемая мощность должны определяться в соответствии с требуемым уровнем надежности и распределенной интенсивностью отказов каждого компонента. В таблице 1 приведены значения допустимой максимальной температуры поверхности компонентов с точки зрения надежности теплового расчета.

Компоненты	Макс. Температура поверхности/°C	Компоненты	Макс. Температура поверхности/°C
Трансформатор, дроссель	95	Керамический конденсатор	80–85
Металлопленочный резистор	100	Стеклокерамический конденсатор	200
Углеродный резистор	120	Кремниевый транзистор	150–200
Пленочно-палладиевый резистор	200	Германиевый транзистор	70–90
Резистор из прессованной проволоки	150	Вакуумная трубка	15–200
Печатный резистор	85	Полностью герметичный плоский корпус CMOS	125
Покраска проволочного резистора	225	Керамический DIP, черный фарфор DIP	/
Бумажный конденсатор	75–85	Пластиковый CMOS DIP	85
Пленочный конденсатор	60–130	Малогабаритная микросхема TTL	25–125
Слюдяной конденсатор	70–120	ТТЛ ИС среднего масштаба	70–85

2). Как контролировать температуру соединения компонентов?

Температура перехода компонента зависит от его собственного энергопотребления, теплового сопротивления и температуры окружающей среды. Таким образом, меры контроля температуры перехода в пределах допустимого диапазона включают:
• Подбираются компоненты с низким внутренним тепловым сопротивлением.
• Снижение номинальных характеристик используется для уменьшения повышения температуры.
• Цепи, особенно цепи те, которые содержат силовые компоненты, должны зависеть от тщательно продуманной тепловой конструкции для обеспечения надежности в соответствии с рекомендациями, указанными в стандартном руководстве.

3). Как спроектировать снижение номинальных характеристик при использовании компонентов?

В зависимости от потребностей, снижение номинальных характеристик может быть реализовано на практике, чтобы заставить компоненты работать в условиях ниже номинальных параметров (мощность, напряжение, ток), чтобы резко снизить рост температуры и частоту отказов.

б. Правила теплового проектирования печатных плат

Вертикальная сборка печатных плат способствует отводу тепла, а расстояние между платами должно быть не менее 20 мм. Правила теплового расчета платы включают:
1). В качестве материала подложки печатных плат выбран материал со способностью противостоять высоким температурам и высоким параметром проводимости. Когда дело доходит до схем с высокой мощностью и плотностью, алюминиевая основа и керамика могут использоваться в качестве материала подложки из-за их низкого теплового сопротивления (PCBCart полностью способен производить печатные платы с этими материалами подложки. Вы можете отправить свои файлы печатных плат вместе с требованием количества на этой странице расценки на печатные платы на алюминиевой и керамической основе).
2). Многослойная структура является оптимальным выбором для рассеивания тепла на печатной плате.
3). Для улучшения теплопроводности печатных плат лучше всего использовать платы, рассеивающие тепло. Плата с металлическим сердечником может применяться в многослойных печатных платах для обеспечения превосходного рассеивания тепла между платой, поддерживающими устройствами и устройствами рассеивания тепла. При необходимости можно использовать защитное покрытие и герметизирующий материал для ускорения передачи тепла к опорным устройствам или устройствам, рассеивающим тепло.

4). Чтобы увеличить способность печатных плат рассеивать тепло, можно использовать сборную шину, которую можно рассматривать как отличный радиатор и способную повысить помехоустойчивость печатных плат.
5). Для улучшения способности рассеивания тепла печатных плат следует увеличить толщину металлической фольги, а во внутреннем проводнике следует использовать металлическую фольгу большой площади. Более того, ширина линий заземления должна быть правильно увеличена, поскольку линии заземления с большой площадью способны как повысить помехозащищенность, так и рассеивать теплоемкость.

в. Сборка компонентов и разводка печатной платы

Расположение компонентов очень важно для тепловых характеристик печатных плат, особенно тех, которые расположены вертикально. Направление сборки компонентов должно соответствовать характеристикам потока охлаждающей жидкости, чтобы обеспечить наименьшее сопротивление охлаждающей жидкости. Правила, применяемые к компонентам с точки зрения сборки и компоновки, включают:

1). Для продуктов с методом воздушного охлаждения со свободной конвекцией лучше всего размещать интегральные схемы или другие компоненты в продольном направлении, как показано на рисунке 2 ниже. Для продуктов с методом принудительного воздушного охлаждения лучше всего размещать интегральные схемы или другие компоненты в продольном расположении, как показано на рисунке 3 ниже.

2). Компоненты на одной печатной плате следует классифицировать и размещать в соответствии с их теплопроизводительностью и уровнем рассеивания тепла. Компоненты с низкой теплопроизводительностью или низкой теплостойкостью (малосигнальный транзистор, малогабаритная ИС, электролитический конденсатор и т. д.) следует размещать выше по потоку (на входе), а компоненты с высокой теплопроизводительностью или высокой термостойкостью (частотный транзистор, гипермасштабный IC и т. д.) должны быть размещены ниже по течению. На периферии усилителей слабого сигнала должны быть размещены компоненты с малым температурным дрейфом, а конденсаторы с жидкостной средой должны быть удалены от источника тепла.
3). В горизонтальном направлении компоненты с высокой частотой должны располагаться рядом с краем печатных плат, чтобы минимизировать путь передачи тепла. В вертикальном направлении высокочастотные компоненты должны располагаться близко к верхней части печатных плат, чтобы уменьшить их влияние на температуру других компонентов.
4). Компоненты, чувствительные к температуре, следует располагать в области с самой низкой температурой, например, на дне продукта. Их нельзя размещать прямо над компонентами, выделяющими тепло, и их следует располагать вдали от компонентов, выделяющих тепло, или изолировать их.
5). Компоненты с наибольшей потребляемой мощностью и выделением тепла должны располагаться рядом с лучшим местом для отвода тепла. Никогда не располагайте компоненты с высокой температурой в углу или на краю, если вокруг них не установлены радиаторы. При размещении силовых резисторов следует подобрать относительно крупные компоненты и оставить для них достаточно места для отвода тепла в процессе разводки печатной платы.
6). Мощность должна быть равномерно распределена по печатным платам, чтобы поддерживать баланс и соответствие, а также избегать концентрации точек нагрева. Строгой однородности добиться сложно, но следует избегать участков с очень большой мощностью, иначе перегретые точки нарушат нормальную работу всей схемы.
7). В процессе проектирования печатной платы необходимо полностью учитывать путь воздушного потока, а компоненты должны быть разумно расположены. Воздух имеет тенденцию течь к месту с небольшим сопротивлением, поэтому при размещении компонентов на печатных платах следует избегать относительно большого воздушного пространства.
8). Технология термической сборки должна применяться на печатных платах для достижения относительно хорошего эффекта теплопередачи. Более половины тепла, выделяемого такими компонентами, как интегральные схемы и микропроцессоры, передается на печатные платы через их собственные выводы, сборочные отверстия которых должны быть покрыты металлическим покрытием. Эти компоненты также могут быть установлены непосредственно на стержне или плате теплопроводности, чтобы уменьшить тепловое сопротивление, вызванное компонентами.
9). Термическое сопротивление должно быть максимально уменьшено в соединениях между компонентами с высоким тепловыделением и печатными платами. Для того, чтобы удовлетворить требования к тепловым характеристикам, под чипом можно использовать некоторые теплопроводящие материалы, а тепловыделение компонентов в зоне контакта должно поддерживаться.
10). Контакты компонентов должны быть укорочены при соединении компонентов и печатных плат. При выборе компонентов с высоким энергопотреблением следует учитывать проводимость свинцового материала. По возможности выбирайте компоненты с выводами большего поперечного сечения и большим количеством контактов.

д. Другие требования
1). Корпус компонента:тип корпуса компонента и коэффициент теплопроводности следует учитывать при тепловом расчете печатной платы. Путь теплопроводности может быть обеспечен между подложкой и корпусом компонента, и следует избегать прорыва воздуха на пути теплопроводности.
2). Техника Метод:локальная высокая температура может быть вызвана в областях с компонентами на обеих сторонах платы. Чтобы изменить условия отвода тепла, в паяльную пасту можно добавить немного мелкой меди, чтобы места пайки поднялись на определенную высоту под компонентами. Между компонентами и печатной платой увеличено воздушное пространство, что позволяет улучшить тепловую конвекцию.
3). Отверстия для рассеивания тепла:некоторые отверстия для рассеивания тепла и глухие отверстия могут быть расположены на печатных платах, чтобы можно было эффективно увеличить площадь рассеивания тепла, уменьшить тепловое сопротивление и увеличить удельную мощность печатных плат.

Термический анализ

Основанный на вычислительном теплообмене, термический анализ, методы численных расчетов которого в основном включают метод конечных разностей, метод конечных элементов и метод граничных элементов, относящийся к процессу упрощения модулей, установлению математических модулей, решению нелинейного уравнения, созданию и настройке аналитической процедуры и расчет, измерение и проверка тепловых параметров.

Как фундаментальный аспект теплового проектирования, тепловой анализ является важным методом оценки важности теплового проектирования. Термический анализ печатных плат относится к процессу установления теплового модуля компонентов и установки параметров управления моделированием в соответствии со структурой и исходным материалом печатных плат, типом упаковки компонентов и рабочей средой печатной платы для оценки значений теплового поведения печатных плат. Термический анализ необходимо проводить на этапе разработки концепции перед компоновкой и на протяжении всего процесса проектирования печатной платы.

Значения температуры компонентов, температуры платы и температуры воздушного потока могут быть получены из термического анализа, отображающего тепловые характеристики печатных плат в виде цветных изображений, визуальных графиков температурных изотерм или специальных данных.

По результатам термического анализа можно быстро обнаружить тепловые проблемы печатной платы и принять своевременные меры, а также устранить высокотемпературные плотные участки, что определит путь теплопроводности, оптимизирует положение ключевых компонентов, форму радиатора и размера, чтобы в полной мере использовать скорость рассеивания тепла, повысить эффективность теплопередачи отверстий для рассеивания тепла и радиаторов и определить пространство между платами и компонентами на платах.

PCCBart имеет богатый опыт в производстве печатных плат с расширенными функциями

С момента основания в 2005 году компания PCBCart производит печатные платы для клиентов из более чем 80 стран. Производимые нами печатные платы широко используются практически во всех отраслях промышленности. Вы можете связаться с нами, чтобы обсудить ваш индивидуальный проект печатной платы здесь.

Полезные ресурсы
• Особенности теплового расчета печатной платы
• Расчет внутреннего рассеивания тепла печатной платы на основе тепловой модели
• Печатная плата с металлическим сердечником — идеальное решение тепловых проблем в печатных платах и ​​печатных платах
• Как для оценки производителя печатных плат или сборщика печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCCBart