Вопросы теплового дизайна печатной платы

Поскольку силовые компоненты поставляются во все меньших и меньших корпусах для поверхностного монтажа, важно разработать последовательный подход к снижению требований к рассеиванию тепла этими компонентами в конструкции печатной платы. Хотя разработка точного математического анализа тепловых характеристик конструкции печатной платы может быть сложным процессом, можно применить несколько простых правил для улучшения теплопроводности вашей конструкции. В конечном счете, правильное управление рассеиванием тепла в вашей конструкции позволит вам создать более надежную и экономичную конструкцию печатной платы. Далее следует краткое обсуждение стандартной модели рассеивания тепла, а затем некоторые общие правила работы с рассеиванием тепла в ваших проектах.

Во-первых, важно определить терминологию, которая будет использоваться в остальной части этой статьи. На следующем рисунке представлены различные компоненты силовой ИС, которые мы должны учитывать при обсуждении управления температурным режимом. В этой статье мы будем обсуждать температуру соединения, верхней части и корпуса компонента и их тепловое сопротивление окружающей среде.

Имея в виду эти термины, мы кратко рассмотрим стандартную модель, используемую для моделирования рассеивания тепла компонента. Термическое сопротивление обычно моделируется как сеть резисторов. Стандартная модель компонента представлена ​​на следующем рисунке:

На представленном рисунке T_J определяется как температура спая (внутренней рабочей части детали), T_T - температура "верхней части" упаковки (как правило, пластикового корпуса компонента), T_C - температура «корпуса» (это температура высокотеплопроводных площадок компонента и присоединенной платы) и T_A температура окружающей среды. Задача разработчика электроники состоит в том, чтобы обеспечить минимально возможное тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой. За исключением θ_CA , термические сопротивления системы (θ_JT , θ_ТА и θ_JC ) определяются свойствами компонента и могут быть извлечены из таблицы данных для указанного компонента. Как разработчик печатных плат мы в основном имеем влияние на значение θ_CA , что зависит от конструкции нашей печатной платы. Таким образом, основной задачей разработчика является снижение теплового сопротивления корпуса ИС окружающей среде за счет уменьшения этого сопротивления. Насколько хорошо мы можем снизить это тепловое сопротивление (θ_CA ) будет в значительной степени определять разницу температур (или ее отсутствие), которая будет возникать между окружающей средой и местом соединения компонента.

Следует отметить, что другим путем теплопроводности является пластиковый корпус (или «верхняя часть») компонента. Поскольку пластиковая упаковка большинства силовых компонентов не обеспечивает хорошего теплового пути в окружающую среду, эффективность рассеивания тепла конструкции в большей степени зависит от способности конструкции рассеивать тепловую энергию в окружающую среду через корпус. Единственным исключением является случай, когда рассматриваемая силовая ИС имеет термопрокладку, расположенную в верхней части компонента. В этом случае микросхема спроектирована таким образом, чтобы радиатор был прикреплен непосредственно к верхней части микросхемы, и рассеивание тепла компонента через ее «верхнюю часть» становится гораздо более важным фактором в конструкции.

Стандартный подход к отводу тепла от силовых компонентов заключается в тепловом соединении силовых компонентов с соседними медными пластинами с помощью тепловых отверстий. Обычно это достигается размещением нескольких переходных отверстий в основании силовой ИС. Эти сквозные отверстия обеспечивают тепловое соединение с медными слоями под ИС, которые затем отводят тепло от компонента.

Кроме того, чем больше силовых медных плоскостей подключено к силовой ИС указанными тепловыми переходами, тем выше эффективность рассеивания тепла печатной платы. например использование 4-слойной конструкции по сравнению с 2-слойной может увеличить рассеиваемую мощность печатной платы до 30 % при сравнении той же площади этих конструкций.

Следующие правила проектирования являются хорошей отправной точкой для рассмотрения тепловых соображений вашего проекта.

а. Чтобы рассеять 1 ватт мощности, хорошим эмпирическим правилом является то, что ваша плата должна иметь площадь 15,3 см² или 2,4 дюйма² на ватт, рассеиваемую при повышении температуры платы на 40°C. Если плата подвергается воздушному потоку, это требование может быть сокращено вдвое (7,7 см² или 1,2 дюйма² на ватт). Эти значения предполагают, что компонент термически связан с медной пластиной, которая доходит до краев платы, и что плата расположена так, что воздух может свободно обтекать обе стороны платы. Если эти требования к плотности мощности слишком строги для вашей конструкции, может потребоваться включение внешнего радиатора. Кроме того, повышение температуры на 40°C является хорошей отправной точкой для контроля температуры печатной платы.

б. Всякий раз, когда на плате размещается более одного компонента питания, рекомендуется размещать эти компоненты таким образом, чтобы ваша печатная плата равномерно нагревалась от этих компонентов. Большие перепады температур по всей длине вашей печатной платы не позволяют вашей печатной плате оптимально отводить тепловую энергию от установленных силовых компонентов. Тепловидение, если оно доступно разработчику, может позволить провести эмпирическую проверку размещения компонентов после завершения пересмотра проекта.

в. Чем больше переходных отверстий вы можете разместить под вашим компонентом, тем лучше ваша печатная плата будет передавать тепловую энергию на подключенную медную плоскость. Массив переходных отверстий для увеличения числа контактов с контактными площадками питания вашего корпуса (большими теплопроводными контактными площадками компонента).

д. В конструкциях, которые рассеивают более высокую мощность, вам нужно будет использовать медь большего веса. 1 унция меди рекомендуется в качестве отправной точки для силовых конструкций.

е. При использовании медной заливки для отвода тепловой энергии от компонента важно, чтобы заливка не прерывалась дорожками, идущими перпендикулярно тепловому пути от силового компонента.

ф. Если необходимо использовать радиатор для поддержания допустимой температуры системы, следует отметить, что радиатор, как правило, будет намного более эффективным, если его разместить таким образом, чтобы он был термически соединен с корпусом компонента. Обычно это означает прикрепление радиатора к противоположной стороне платы от компонента для поверхностного монтажа. Хотя может показаться заманчивым разместить радиатор непосредственно на верхней части компонента, тепловое сопротивление пластикового корпуса компонента сделает радиатор неэффективным. Как отмечалось выше, исключениями из этого правила являются упаковки, специально предназначенные для крепления радиаторов к их «верхней части».

Таким образом, при работе с силовыми компонентами очень важно учитывать тепловые характеристики конструкции. Использование правил проектирования, представленных в этой статье, на ранних этапах проектирования вашей печатной платы позволит вам получить хорошее преимущество в управлении температурой вашей печатной платы и позволит вам избежать радикальных изменений конструкции позже в процессе разработки.

Полезные ресурсы
• Наиболее полные принципы теплового проектирования печатных плат
• Расчет внутреннего рассеивания тепла печатной платы на основе тепловой модели
• Советы по температурному расчету печатных плат, управляемых системой FPGA
• Проектирование мощных печатных плат в высокотемпературной среде
• Печатная плата с металлическим сердечником — идеальное решение тепловых проблем в печатных платах и ​​печатных платах
• Полнофункциональная услуга по производству печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Усовершенствованный сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки