Расчет внутреннего рассеивания тепла печатной платы на основе тепловой модели

Быстрое развитие электронных технологий приводит к мгновенному улучшению скорости вычислений, частоты вычислений и надежности электронных продуктов. Кроме того, по мере сокращения объемов выпускаемой электронной продукции объемная удельная мощность становится все более высокой. Кроме того, ориентация развития на толщину, легкость и миниатюрность делают электронные компоненты более теплотворными на единицу объема. С модернизацией электронных изделий их надежность сильно снижается из-за быстрого увеличения плотности теплового потока в печатных платах. В соответствии с 10-градусным принципом, каждый раз, когда температура повышается на 10 градусов Цельсия, часть параметров некоторых компонентов будет уменьшаться наполовину. Согласно исследованию, 55% электронных устройств повреждаются из-за того, что температура выходит за пределы номинального значения компонентов. Поэтому разумное расположение компонентов и рассеивание тепла на печатной плате были основными элементами, которые инженеры должны учитывать.

Тепловое проектирование электронных изделий обычно делится на следующие уровни:системный уровень, уровень платы и уровень корпуса. Тепловой расчет на уровне платы относится к тепловому расчету радиатора, электронного трафарета и печатной платы. В этой статье будет представлен новый метод рассеивания тепла, который обеспечивает быструю передачу тепла в нижней части компонентов наружу и увеличивает площадь рассеивания тепла компонентов, не влияя на компоновку печатной платы, что направлено на снижение температуры компонентов и разницы температур. По сравнению с традиционным методом рассеивания тепла, этот новый метод имеет некоторые особенности, в том числе несколько структур рассеивания тепла, снижение тепловой нагрузки на печатную плату и небольшое занимаемое пространство. Общее тепловыделение печатной платы является анизотропным в результате множества структур слоев печатной платы, включая верхний слой, нижний слой и слой маршрутизации, что приводит к множеству характеристик, таких как содержание меди, толщина меди, сквозные отверстия и положения. Основываясь на программном обеспечении для термического анализа, а также физической форме и тепловых характеристиках компонентов, в этой статье будут установлены упрощенные печатные платы и компоненты, а также рассмотрены длина, ширина и количество ребер охлаждения с результатами экспериментов, полученными путем анализа данных моделирования в различных условиях.

Принципы термического анализа

Теория термического анализа на уровне печатной платы основана на основных принципах теории теплопередачи. Процедура теплопередачи включает три различных режима теплопередачи:теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение, среди которых теплопроводность является ведущим методом рассеивания тепла.

Согласно закону Фурье теории теплообмена, в дифференциальном слое любой толщины d вдоль направления x энергия, проходящая d в единицу времени, прямо пропорциональна площади А скорости изменения температуры, что можно отобразить в формуле .

В этой формуле Q (Вт) относится к энергии, проходящей через площадь A в единицу времени, что также является тепловым потоком. A (м²) относится к площади поперечного сечения в направлении проводимости. L (м) относится к длине пути проводимости. k [Вт/(м•°C)] — теплопроводность. Δ t (°C) — разница температур между двумя сторонами d. x (м) – путь теплового потока. Минус указывает на противоположное направление теплопередачи и повышение температуры.

Плотность теплового потока q (Вт/м²) относится к количеству теплового потока, проходящего через единицу площади А в единицу времени, что показано в формуле .

Разные материалы имеют разную теплопроводность k, высокое значение которой указывает на превосходную теплопроводность.

Теория теплового сопротивления печатных плат

Печатная плата представляет собой такую ​​сложную многослойную структуру, что ее теплопроводность анизотропна. С точки зрения термического анализа печатных плат структура материала в каждом слое различна, поэтому сложно настроить модель из-за большого числа сеток и низкой скорости вычислений. В этой статье используется упрощенная модель с помощью программного обеспечения для термического анализа. Упрощенная модель многослойной печатной платы показана на рисунке 1 ниже.

Предположим, что медный слой и слой FR-4 имеют одинаковую толщину, и каждый слой имеет одинаковое расстояние. к_н это нормальная теплопроводность и k_p то есть теплопроводность каждого слоя используется для описания тепловых характеристик печатной платы. Следующие формулы можно использовать для расчета значения k_n и k_p .

В этой формуле δ_Cu относится к толщине каждого медного слоя; к_Cu – теплопроводность меди со значением 388 [Вт/(м•°С)]; к_j – теплопроводность каждой медной трассы; δ_F – толщина каждого слоя ФР-4; к_Ф – теплопроводность FR-4 со значением 0,35[Вт/(м•°С)]; δ_{печатная плата} общая толщина печатной платы; А_j — общая площадь медной разводки на слое j. Тепловое сопротивление печатной платы показано в упрощенной модели на рисунке 2.

Температура поверхностного слоя печатной платы и нижнего слоя соответственно t₁ и т₂; общее переданное тепло равно Q; общее сопротивление R; тепловое сопротивление каждого слоя при ориентации по толщине составляет R₁ , R₂ и R₃ и длиной L₁ , L₂ и L₃; площадь платы равна A. На основании рисунка 2(a) ориентация предполагается только вертикальной, а тепловое сопротивление можно рассчитать по следующей формуле:
R₁ =L₁ (А•к₁ )
R₂ =L₂ (А•к₂ )
R₃ =L₃ (А•к₃ )

На основании рисунка 2(b) ориентация предполагается только горизонтальной, а тепловое сопротивление можно рассчитать по следующей формуле:
R₁ =L/(A₁ •к₁ )
R₂ =L/(A₂ •к₂ )
R₃ =L/(A₃ •к₃ )
1/R =1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

Суммарное тепловое сопротивление по вертикали и горизонтали можно отобразить по последовательно-параллельному соединению тепловых сопротивлений по формуле Q =(t₁ - т₂ )/Р.

Из приведенной выше формулы видно, что общее тепловое сопротивление при горизонтальной ориентации намного ниже, чем при вертикальной ориентации. Таким образом, если медь расположена горизонтально на печатной плате, будет получен лучший эффект рассеивания тепла. В качестве объекта анализа в данной статье взята двухслойная печатная плата. На рис. 3 показан эскиз скрытой медной печатной платы.

Анализ и проверка моделирования

• Дизайн модели печатной платы

Размер упрощенной модели указан в таблице ниже.

Предмет	Размер
печатная плата	100 мм*100 мм
Чип	10мм*10мм
Пакет компонентов	20 мм*20 мм
Энергопотребление чипа	8 Вт

Компонент размещается в центре печатной платы, источник тепла которой имеет скрытую под ним медь. Медные ребра охлаждения заглублены рядом с медью. На рис. 4 представлена ​​имитационная модель размером 0,5 мм x 30 мм.

В качестве объекта моделирования выбрана цепь с током 2А так, чтобы ширина линии была не менее 0,5 мм, а сквозное отверстие - 0,5 мм. Охлаждающие ребра, прилегающие к заглубленной меди, должны иметь расстояние не менее 1 мм, а ширина охлаждающих ребер в этой статье определена как 0,13 мм, 0,25 мм, 0,5 мм, 0,75 мм и 1 мм, а длина - 20 мм, 30 мм и 40 мм. При ширине 10 мм и расстоянии менее 1 мм количество охлаждающих ребер разной ширины отображается в таблице ниже.

Ширина ребра (мм)	Температура (°C)	Длина плавника (мм)			Количество плавников
		20	30	40
0,13	Самое высокое	96,7	91,2	89,8	10
	Самое низкое	89.1	84,5	83.4
0,25	Самое высокое	92,5	89,5	87,5	8
	Самое низкое	85,4	83,6	81,9
0,50	Самое высокое	92.1	88,6	86.2	7
	Самое низкое	85,3	83.2	81.2
0,75	Самое высокое	91,9	87,9	85,3	6
	Самое низкое	85,2	83,0	80,8
1,00	Самое высокое	91,8	87,8	85.1	5
	Самое низкое	85,0	82,9	80,8
Температура компонентов без скрытой меди (°C)					Самый высокий:108,4 Самый низкий:98,3

• Анализ результатов

На основании таблицы 2 можно сделать вывод, что различия в ширине и длине медных ребер приводят к значительному повышению температуры компонентов печатных плат. однако при практическом применении подходящую длину печатной платы и ширину ребра следует выбирать с учетом практических ситуаций и стоимости меди. На рис. 5 показан график максимальной температуры компонентов, а на рис. 6 — график минимальной температуры компонентов.

Из тенденции изменения, показанной на графике, можно сделать вывод, что когда ширина ребер меньше 0,5 мм, температура компонентов значительно снижается с увеличением ширины ребер. Снижение температуры становится устойчивым, когда ширина превышает 0,5 мм. Таким образом, разница температур является наибольшей, когда ширина ребра составляет 0,5 мм при минимальной стоимости материала. С увеличением ребер охлаждения температура компонентов снижается.

Температура падает в наибольшей степени, более чем на 5°C, когда длина ребра находится в диапазоне от 20 мм до 30 мм. Температура падает незначительно, больше или меньше 2°C, когда длина ребра находится в диапазоне от 30 мм до 40 мм. Таким образом, уменьшение разницы температур относительно велико, когда ребра длиной от 20 мм до 30 мм выбираются с относительно низкой стоимостью. Учитывая тот факт, что ребра охлаждения печатных плат не могут быть ни слишком длинными, ни слишком широкими, целесообразно подобрать ребра шириной 0,5 мм и длиной 30 мм.

На рис. 7 представлен график распределения температуры моделирования печатной платы без заглубленной меди, а на рисунке 8 — график распределения температуры моделирования печатной платы с ребрами длиной 30 мм и шириной 0,5 мм.

Из двух рисунков можно узнать, что самая высокая температура падает с 108,4°C до 88,6°C со степенью снижения 18,5%. Самая низкая температура падает с 98,3°C до 83,2°C со степенью восстановления 15,3%. Основываясь на сравнении температурного поля между Рис. 7 и Рис. 8, печатная плата со скрытой медью способна способствовать равномерному распределению температурного поля и уменьшению разницы температур плат, чтобы можно было избежать горячих точек. Печатная плата со скрытой медью снижает температуру компонентов, что способствует улучшению рассеивания тепла компонентами на печатной плате, что значительно повышает надежность компонентов.

Полезные ресурсы
• Наиболее полные принципы теплового проектирования печатных плат
• Советы по температурному расчету печатных плат, управляемых системой ПЛИС
• Проектирование мощных печатных плат в условиях высокой температуры
• Печатная плата с металлическим сердечником — идеальное решение тепловых проблем в печатных платах и ​​печатных платах
• Полнофункциональная услуга по производству печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 шт.