Подробное руководство по управлению температурой печатных плат

Быстрая навигация:

• Как измерять температуру печатной платы
• Сколько тепла может выдержать печатная плата?
• Распространенные причины высокого тепла в печатной плате
• Как предотвратить высокие температуры в печатной плате
• Свяжитесь с MCL для всех ваших потребностей в печатных платах

Температура — важный элемент безопасности, надежности и производительности в печатных платах (ПП). Высокие температуры могут быстро привести к неисправностям и постоянному повреждению.

Несколько обстоятельств могут вводить тепло в работу печатной платы. Компонент, смонтированный на печатной плате, может производить избыточное тепло. Внешний элемент — например, другой компонент в сложной системе, как аэрокосмическая система или медицинское применение — может генерировать избыточное тепло. Тепло может накапливаться в печатной плате из-за неадекватной вентиляции. Или во время сборки печатной платы тепло, производимое при сверлении и пайке, может вызвать недопустимое термическое напряжение на компонентах и привести к дефектным платам.

Какая бы ни была причина, инженерам нужны способы управления теплом, чтобы гарантировать, что печатные платы могут выжить высоких термических нагрузках, которые они неизбежно встретят. Каковы некоторые эффективные техники рассеивания тепла печатных плат и способы предотвращения повышения температуры печатных плат? Мы ответим на эти вопросы более подробно ниже.

Почему мониторинг температуры печатной платы важен?

Мониторинг температуры печатной платы критичен, потому что высокие температуры могут изменить структуру печатной платы и ухудшить ее производительность или вызвать ее поломку.

Измерение температуры печатной платы также критично, потому что проблемы, результаты высоких температур, не остаются локализованными. Они могут быстро распространиться на другие компоненты печатной платы и вызвать каскад неисправностей и повреждений.

Избыточное тепло в печатной плате может вызвать следующие типы повреждений:

• Потеря структурной целостности: Избыточное тепло может повредить целостность печатной платы. Слои печатной платы высоко чувствительны к флуктуациям температуры, и когда они становятся слишком горячими или холодными, они расширяются и сжимаются. Избыточное тепло может привести к деформации в длинах, ширина и толщины разных слоев печатной платы.
• Нарушение цепей: Избыточное тепло может также привести к повреждению цепей. Цепные линии расширяются и меняют форму при перегреве. Как только это происходит, цепи становятся восприимчивыми к смещению частот, искажениям и прямым потерям. Их импеданс проводника также может сместиться от стандартного значения 50 ом. Миллиметроволновые цепи и микроволновые цепи, в частности, имеют крошечные, деликатные компоненты, которые могут легко пострадать, если они расширяются и деформируются при высоких температурах.
• Несовместимые скорости расширения материалов: Вредные эффекты, отмеченные выше, усугубляются тем фактом, что разные материалы расширяются с разными скоростями. Печатная плата имеет два основных типа слоев: диэлектрические слои и проводящие металлические слои. Поскольку они содержат разные материалы, они расширяются по-разному в ответ на тепло. Так перегреваемая печатная плата может испытать дополнительные повреждения, когда разные типы слоев отрываются друг от друга.
• Окисление: Окисление компонентов печатной платы также является проблемой при высоких температурах. Открытый диэлектрический материал в печатных платах не имеет защиты от окисления, если у него нет защитного ламинационного покрытия. В этом случае материал может ржаветь после воздействия высокого тепла. Потеря линий передачи и более высокий фактор диссипации часто результатом.

Как измерять температуру печатной платы

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

Также необходимо найти контакты заземления (GND), которые обычно прикреплены к подложке источника тепла. Большой процент тепла, генерируемого в печатной плате, движется к датчику температуры через эти контакты GND. Поскольку контакты соединяются с подложкой, они имеют наименьшее термическое сопротивление из любого компонента печатной платы между датчиком температуры и источником тепла.

Как только у вас есть эти части информации, мониторинг температуры может начаться. Измерение температуры печатной платы обычно включает три разных шага:

1. Поместите плоскость заземления между датчиками температуры и источником тепла.
2. Соедините контакты GND каждого датчика температуры с плоскостью заземления источника тепла.
3. Убедитесь, что датчики температуры и источник тепла остаются близко друг к другу на печатной плате.

Следование этим шагам позволит вам измерять температуры первичного источника тепла — и, таким образом, печатной платы в целом — с точностью и прецизией.

Какая максимальная температура, которую может выдержать печатная плата?

То, сколько тепла может выдержать печатная плата, зависит от материалов, из которых она состоит. Материалы с оптимальными термическими свойствами обеспечивают надежное сопротивление эффектам высокого тепла, тогда как некоторые материалы менее надежно выдерживают высокие температуры. Метрика, известная как стекловая температура перехода (TG), помогает указать это сопротивление. Например, FR-4 имеет TG около 135 градусов Цельсия.

Печатные платы обычно определяются как высокотемпературные печатные платы, если они могут выдерживать температурный предел 150 градусов Цельсия. Некоторые высокотемпературные печатные платы могут выдерживать еще более высокие температуры, но платы, изготовленные из материалов с меньшим тепловым сопротивлением, смогут безопасно работать только при гораздо более низких температурах. Высокотемпературные печатные платы становятся все более распространенными в применениях таких как автомобильные и промышленные применения, где экстремальные температуры являются частью рабочей среды.

Распространенные причины высокого тепла в печатной плате

1. Неисправность компонента, вызывающая диссипацию

Одна из распространенных причин высокого тепла в печатной плате — неисправность одного компонента внутри печатной платы и его диссипация, не генерируя количество мощности, которое он обычно производит. Когда это происходит, окружающие компоненты должны генерировать больше мощности для компенсации. Генерация большей мощности ведет к риску перегрева.

2. Интерференция сквозных отверстий

Сквозные компоненты и компоненты-радиаторы — это компоненты печатной платы, которые поставляют мощность. Они генерируют тепло и диссипируют его в воздух. 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 ведет к риску перегрева.

3. Расстояние поверхностно-монтируемых устройств

Поверхностно-монтируемые устройства (SMD) соединяются с печатной платой так же, как сквозные компоненты. Они позволяют более гладкий поток тока через сквозные и радиаторные компоненты. Но сквозные компоненты и SMD должны быть позиционированы на правильном расстоянии друг от друга. Если они слишком далеко, току придется пройти дальше. Дополнительное время, которое ток тратит на путешествие, может заставить принимающие компоненты оставаться холодными слишком долго. Когда это происходит, другие компоненты могут перегреться для компенсации.

4. Высокочастотные цепи

Высокие температуры особенно вероятны в применениях, использующих высокочастотные цепи. Причина в том, что генерация большей мощности естественным образом производит больше тепла.

Радиочастотные цепи, например, представляют быстрорастущий сектор в инженерии печатных плат. Эти цепи высоко сложны, но имеют много полезных применений, от беспроводной безопасности в медицинских и промышленных продуктах до смартфонов. Эти высокочастотные цепи склонны генерировать огромные количества тепла, поэтому специальные дизайнерские техники необходимы для этих типов печатных плат.

5. Безоловянный припой

В целом, отрасль печатных плат движется в сторону ограничения опасных веществ (RoHS). Печатные платы RoHS используют безоловянный припой, и безоловянный припой требует высоких температур, чтобы он мог свободно течь.

Как предотвратить высокие температуры в печатной плате

Как мы видели, предотвращение повышения температуры печатной платы критично. Но как можно снизить тепло в печатной плате? Инженеры могут использовать несколько разных техник рассеивания тепла печатных плат:

1. Радиаторы

Печатная плата — это по сути фабрика по генерации тепла из-за всех теплопроизводящих компонентов, которые она содержит. Печатной плате нужно некоторое рассеивание всего этого термического энергии. Обычно ответ включает радиаторы. Радиаторы безопасно диссипируют тепло, так что оно не накапливается и не повреждает плату.

2. Вентиляторы

Большинство электронных устройств содержат вентиляторы для охлаждения, и часть назначения этих вентиляторов — помочь охлаждать печатные платы. Охлаждающие вентиляторы рассеивают тепло из электронных устройств, впуская холодный воздух, помогая предотвратить перегрев и продлить срок службы и производительность печатной платы.

3. Учет материалов и компонентов

Выбор теплостойких материалов — одна из самых эффективных стратегий снижения тепла в печатной плате. Например, печатные платы с толстой медью, построенные с толстыми медными пластинами, делают отличный выбор для их долговечности и способности выдерживать высокие температуры. Они обрабатывают более высокие уровни токов, сопротивляются более высоким температурам более длительное время и обеспечивают более сильные точки соединения, чем стандартные печатные платы. По этим причинам они особенно полезны в автомобильных, авиационных, тяжелых машинах и применениях преобразователей мощности и других тяжелых средах.

Многие печатные платы содержат FR-4, который, хотя полезен как огнеупор, не может выдерживать экстремально высокие температуры. Знание того, что печатная плата содержит FR-4 в своей конструкции, может позволить инженерам проектировать цепи, которые не будут генерировать больше тепла, чем материал может выдержать.

Материалы такие как RF материалы — используемые в радиочастотных цепях — и полиамид также чувствительны к высоким температурам. Политетрафторэтилен (PTFE) крайне распространен в RF платах, но он может размазываться под теплом сверления, и размазывание очень трудно удалить. Эти материалы не так распространены в печатных платах, как FR-4, но инженеры должны использовать осторожность в своих дизайнах, если они работают с этими материалами также. Использование высокотемпературного ламината в этих ситуациях настоятельно рекомендуется.

4. Увеличение толщины и ширины пластины

В печатных платах более толстые пластины склонны проводить тепло менее эффективно, чем более тонкие. Они требуют больше мощности для достижения высоких температур, поэтому с правильной инженерией они могут помочь снизить риск перегрева, деформации и нарушения.

5. Нанесение ламинатов

Нанесение ламинатов — еще один способ предотвратить повреждения от высоких температур. Высокотемпературные ламинаты печатных плат могут предотвратить перегрев, предлагая тепловую защиту для компонентов печатной платы.

Высокотемпературные ламинаты должны иметь следующие защитные свойства:

• Стекловая температура перехода (TG): Стекловая температура перехода относится к температуре, при которой полимеры термодинамически переходят от жестких к мягким. Высоко-TG печатные платы предлагают превосходную защиту.
• Время до деламинации: Высокое тепло может деламинировать ламинат печатной платы со временем. Лучшие ламинаты будут долгое время сопротивляться деламинации при высоких температурах.
• Поглощение влаги: Ламинаты печатных плат должны иметь надежные, защитные способности поглощения влаги. Если печатная плата будет работать в контролируемой по воздуху среде, как лаборатория, поглощение влаги может не быть высоким приоритетом. Но если печатная плата будет работать в среде, где она может быть экспонирована элементам, адекватные способности поглощения влаги критичны.
• Температура разложения (TD): Температура разложения относится к температуре, при которой 5% массы ламината теряется из-за разложения. Высокая температура разложения предлагает превосходную защиту.
• Z-осевое расширение: Z-осевое расширение относится к расширению материала вдоль z-оси в проценте коэффициента термического расширения. Меньшее Z-осевое расширение также предлагает превосходную защиту.

6. Выравнивание CTE

Коэффициент термического расширения (CTE) измеряет, насколько материал расширяется при воздействии высоких температур. В дизайне печатных плат идеально, чтобы диэлектрические слои имели похожий CTE к медным слоям. Таким образом, если слои расширяются, они делают это униформным способом, приводящим к минимальным повреждениям.

В многослойной стопке, если CTE не выровнены, слои будут расширяться радикально разными скоростями, что может вызвать искривление и нарушение. Если это неравномерное расширение происходит во время сборки печатной платы, несоответствия также могут вызвать серьезные проблемы для сверления.

Выбор материалов печатной платы с более низкими CTE помогает предотвратить перегрев. Например, PTFE, заполненный сплетенным стеклом или микросферами, имеет отличные электрические характеристики, но также имеет высокий CTE. Так этот материал — плохой выбор, когда термическая стойкость — главный приоритет. С другой стороны, PTFE, заполненный керамикой, имеет более низкий CTE и работает намного лучше при высоких температурах, хотя немного теряет в электрических характеристиках.

7. Поддержание адекватного интервала

Определение интервала компонентов на печатной плате может быть сложным процессом. Когда компоненты платы слишком близки вместе, может возникнуть перекрестное помехи — то есть разные компоненты могут начать взаимодействовать друг с другом нежелательными способами. Эти нежелательные взаимодействия ведут к чему-то, известному как кожной эффект. Когда кожной эффект происходит, сопротивления трасс увеличиваются, приводя к резистивным потерям и добавлению тепла в цепь. Кожной эффект особенно распространен с высокочастотными печатными платами, поэтому инженеры должны принимать дополнительные меры с интервалом компонентов, чтобы держать платы от перегрева.

8. Правильная интеграция тепловых труб

Тепловые трубы в печатной плате могут помочь рассеять тепло также. Жидкость в трубах может поглощать тепло и предотвращать его повреждение компонентов платы.

9. Максимизация RTI и MOT

Относительный термический индекс (RTI) и максимальная рабочая температура (MOT) — две соответствующие измерения, которым инженеры должны уделять пристальное внимание в дизайне печатных плат.

RTI указывает наивысшую температуру, которую материал может выдержать без изменения своих свойств или снижения своей производительности. MOT относится к наивысшей температуре, которую конкретная конфигурация печатной платы может выдержать без изменения своих свойств или уменьшения своей производительности. Инженеры должны держать оба этих измерения в уме в дизайне печатных плат и выбирать материалы и цепные компоненты с надежным термическим сопротивлением, определенным этими метриками.

Свяжитесь с MCL для всех ваших потребностей в печатных платах

Когда вам нужны печатные платы, спроектированные для контроля температуры, сделайте Millenium Circuits Limited вашим надежным провайдером инженерных решений. Наши высокотемпературные ламинаты печатных плат помогают снизить риск перегрева в печатных платах, и наши печатные платы с толстой медью и высоко-TG печатные платы предлагают превосходную способность выдерживать высокие температуры. Мы также можем помочь облегчить дизайн нестандартных печатных платы по вашим спецификациям.

Свяжитесь с нами сегодня для цитаты или чтобы узнать больше.

Запросите бесплатную цитату