Мастерство термического проектирования печатных плат: ключевые принципы надежности

По оценкам, более половины электронных компонентов выходит из строя из-за высоких нагрузок, вызванных тепловым режимом. Последние годы принесли широкое применение больших и сверхбольших интегральных схем (ИС) и поверхностного монтажа (SMT), а электронные продукты развиваются в направлении миниатюризации, высокой плотности и надежности. Соответственно, к тепловым характеристикам электронных систем предъявляются все более высокие требования. Термическое управление, возникшее вместе с электронными продуктами, играет критическую роль в определении их производительности и функций.

Как основа электронных устройств, рациональное проектирование печатных плат обеспечивает их высокую производительность. Если проектирование платы частично или полностью не соответствует термическим требованиям, электронные устройства неизбежно подвергаются риску повреждения или отказа. Постоянно растущая интегральность схемных модулей и массовое применение ИС и многочиповых модулей (MCM) повышают плотность сборки компонентов, что ведет к повышению плотности теплового потока на платах. Качественные платы обеспечиваются не только точной и рациональной разводкой, но и высокой термической надежностью для безопасной работы. Поэтому комплексное применение правил термической рассеивания и анализ на платах имеет большое значение. Статья начинается с основных принципов термического проектирования и представляет удобные для инженеров правила термического дизайна.

Основные принципы термического проектирования

Термическое проектирование основано на теории теплопередачи и механике жидкостей. Там, где есть разность температур, происходит теплопередача от зоны с высокой температурой к зоне с низкой. Теплопередача осуществляется через теплопроводность, конвекцию и излучение.

Формула теплопередачи: Φ = K·A·Δt, где Φ — количество передаваемого тепла (Вт), K — коэффициент теплопередачи (Вт/(м²·К)), A — площадь теплопередачи (м²), Δt — разность температур между горячей и холодной средой (К).

Термическое проектирование печатных плат определяется как процесс минимизации теплового сопротивления от источника тепла к пространству рассеивания через охлаждающие меры путем управления атрибутами термической передачи или плотностью теплового потока в допустимых пределах. Для обеспечения надежности необходимо принимать меры термического проектирования со следующих сторон:

• а. Естественное охлаждение — передача тепла без внешних сил. Включает теплопроводность, излучение и естественную конвекцию.
• б. Принудительное воздушное охлаждение. Заставляет охлаждающий воздух проходить через устройства или компоненты, передавая тепло от источника к радиатору через вентилятор или динамическое давление воздуха.
• в. Жидкостное охлаждение. Два метода:
  1) Прямое — компоненты погружаются в охлаждающую жидкость.
  2) Косвенное — компоненты не контактируют с жидкостью, охлаждение через теплообменник или холодную плиту.
• г. Испарительное охлаждение. В настоящее время самый эффективный метод теплопроводности. Теплопередача достигается за счет кипения охлаждающей среды.
• д. Другие меры: теплотрубы, холодные плиты, термоэлектрическое хладохождение.

В процессе термического управления правильные меры можно выбирать согласно практическим условиям: рабочая среда (температура, влажность, давление, пыль), плотность теплового потока на плате, плотность мощности по объему и общая потребляемая мощность, площадь поверхности, объем, радиаторы и другие специальные условия — для обеспечения равномерного распределения температуры и допустимого перегрева.

Правила термического проектирования

Общая цель — контролировать температуру всех компонентов на платах внутри устройств, обеспечить стабильность электрических параметров, избежать или уменьшить температурный дрейф, снизить базовую частоту отказов компонентов и удерживать температуру среды ниже максимально допустимой. Статья описывает правила термического проектирования печатных плат в трех аспектах: использование компонентов, термическое проектирование платы, монтаж компонентов и разводка платы.

а. Использование электронных компонентов

1) Как контролировать рабочую температуру компонентов?

Температура — первый фактор, влияющий на производительность и частоту отказов компонентов. Максимально допустимая рабочая температура и потребляемая мощность определяются согласно требуемому уровню надежности и распределенной частоте отказов каждого компонента. Таблица 1 показывает значения максимально допустимой поверхностной температуры компонентов с точки зрения надежности в термическом проектировании.

Компоненты	Макс. температурa/°C	Компоненты	Макс. температурa/°C
Трансформатор, дроссель	95	Керамический конденсатор	80–85
Металлопленочный резистор	100	Стеклокерамический конденсатор	200
Углеродный резистор	120	Кремниевый транзистор	150–200
Палладий-пленочный резистор	200	Германиевый транзистор	70–90
Прессованный проводной резистор	150	Электронная лампа	15–200
Печатный резистор	85	CMOS герметичный плоский корпус	125
Лакированный проводной резистор	225	Керамический DIP, черный фарфоровый DIP	/
Бумажный конденсатор	75–85	CMOS пластиковый DIP	85
Пленочный конденсатор	60–130	TTL малые ИС	25–125
Слюдяной конденсатор	70–120	TTL средние ИС	70–85

2) Как контролировать температуру перехода (junction) компонента?

Температура перехода зависит от собственной потребляемой мощности, теплового сопротивления и температуры среды. Меры контроля температуры перехода в допустимых пределах:
• Выбор компонентов с низким внутренним тепловым сопротивлением.
• Дерейтинг (снижение нагрузки) для уменьшения перегрева.
• Схемы, особенно с мощными компонентами, должны опираться на тщательное термическое проектирование для надежности с соблюдением рекомендаций справочников.

3) Как проектировать дерейтинг при использовании компонентов?

По необходимости дерейтинг можно реализовать в практическом применении, чтобы компоненты работали в условиях ниже номинальных параметров (мощность, напряжение, ток), что резко снижает перегрев и частоту отказов.

б. Правила термического проектирования печатных плат

Вертикальное монтаж печатных плат способствует рассеиванию тепла, расстояние между платами должно быть не менее 20 мм. Правила термического проектирования платы включают:

1. Выбор материала с высокой термостойкостью и высоким коэффициентом теплопроводности в качестве подложки. Для схем с высокой мощностью и плотностью можно использовать алюминиевую и керамическую подложки из-за их низкого теплового сопротивления (PCBCart полностью способен производить платы с такими подложками. Вы можете отправить файлы платы с требованиями по количеству на этой странице для расчета стоимости алюминиевых и керамических плат).
2. Многослойная структура — оптимальный выбор для термического рассеивания платы.
3. Для улучшения теплопроводности плат лучше использовать платы, рассеивающие тепло. Металлоядерные платы можно применять в многослойных PCB для получения отличного рассеивания тепла между платой, поддерживающими устройствами и рассеивающими устройствами. При необходимости можно использовать защитное покрытие и комплектовочный материал для ускорения теплопередачи к поддерживающим устройствам или радиаторам.

4. Для увеличения способности платы к рассеиванию тепла можно использовать шину (busbar), которая служит отличным радиатором и повышает помехоустойчивость платы.
5. Для улучшения термического рассеивания следует увеличивать толщину медной фольги, внутренние проводники должны использовать медную фольгу большой площади. Кроме того, ширину заземляющих линий следует увеличивать, так как заземляющие полигоны большой площади повышают как помехоустойчивость, так и способность к рассеиванию тепла.

в. Монтаж компонентов и разводка печатной платы

Размещение компонентов критически важно для термической производительности плат, особенно установленных вертикально. Направление монтажа должно соответствовать характеристикам потока охлаждающей среды, обеспечивая минимальное сопротивление. Правила для компонентов по монтажу и размещению:

1. Для продуктов с свободной конвекцией воздуха лучше располагать ИС или другие компоненты в продольном расположении (см. рисунок 2). Для продуктов с принудительным воздушным охлаждением — в поперечном расположении (см. рисунок 3).

2. Компоненты на одной плате должны классифицироваться и размещаться согласно их тепловыделению и теплосопротивлению. Компоненты с низким тепловыделением или низким теплосопротивлением (малосигнальные транзисторы, малые ИС, электролитические конденсаторы) размещают вверх по потоку (вход), а с высоким тепловыделением или высоким теплосопротивлением (частотные транзисторы, сверхбольшие ИС) — вниз по потоку. У малосигнальных усилителей должны быть компоненты с малым температурным дрейфом, а жидкостные конденсаторы — далеко от источников тепла.
3. По горизонтали высокочастотные компоненты размещают у края платы, чтобы минимизировать тепловой путь. По вертикали — ближе к верхней части платы, чтобы уменьшить их влияние на температуру других компонентов.
4. Чувствительные к температуре компоненты размещают в зоне с наименьшей температурой (например, внизу изделия). Их нельзя размещать прямо над тепловыделяющими компонентами, они должны быть далеко от них или изолированы.
5. Компоненты с наибольшим потреблением мощности и тепловыделением размещают рядом с лучшим местом для рассеивания тепла. Никогда не размещайте высокотемпературные компоненты в углах или на краях, если вокруг нет радиаторов. При размещении мощных резисторов выбирайте относительно крупные компоненты и оставляйте достаточно места для рассеивания тепла при разводке платы.
6. Питание должно распределяться равномерно на плате для поддержания баланса и избежания концентрации тепловых точек. Строгую равномерность достичь сложно, но зоны с экстремально высокой плотностью мощности нужно избегать, чтобы перегретые точки не нарушали работу всей схемы.
7. При проектировании платы необходимо полностью учитывать путь воздушного потока и разумно размещать компоненты. Воздух течет туда, где меньше сопротивления, поэтому при размещении на плате следует избегать относительно больших воздушных промежутков.
8. На платах следует применять термическую технологию монтажа для достижения хорошей теплопередачи. Более половины тепла от компонентов (ИС, микропроцессоры) передается на плату через их выводы, поэтому монтажные отверстия должны быть металлизированными. Эти компоненты также можно монтировать непосредственно на термически проводящие стержни или платы для снижения теплового сопротивления компонентов.
9. Тепловое сопротивление в соединениях компонентов с высоким рассеиванием и платой следует минимизировать. Для соблюдения тепловых атрибутов под чипом можно использовать термопроводящие материалы, а рассеивание тепла в контактной зоне компонентов должно поддерживаться.
10. Выводы компонентов при монтаже на плату следует сокращать. При выборе компонентов с высоким потреблением мощности учитывайте проводимость материала выводов. По возможности выбирайте компоненты с большим сечением выводов и большим их количеством.

г. Другие требования

1. Корпус компонента: тип корпуса и коэффициент теплопроводности должны учитываться в термическом проектировании платы. Теплопроводящий путь можно обеспечить между подложкой и корпусом компонента, воздушные разрывы на теплопроводящем пути недопустимы.
2. Технологический метод: локальные высокие температуры могут возникать в зонах с компонентами с обеих сторон платы. Для изменения условий рассеивания в паяльную пасту можно добавить мелкую медь, чтобы паяльные точки поднимались над компонентами. Воздушный зазор между компонентом и платой увеличивается, улучшая термическую конвекцию.
3. Тепловые отверстия: на платах можно размещать тепловые отверстия и слепые виа, чтобы эффективно увеличить площадь рассеивания, снизить тепловое сопротивление и повысить плотность мощности платы.

Термический анализ

На основе вычислительной теплопередачи, термический анализ использует численные методы: метод конечных разностей, метод конечных элементов и метод граничных элементов. Процесс включает упрощение моделей, построение математических моделей, решение нелинейных уравнений, создание и корректировку расчетной процедуры, измерение и тестирование термических параметров.

Как фундаментальный аспект термического проектирования, термический анализ — важный метод оценки его значимости. Термический анализ платы — процесс построения термической модели компонентов и установки параметров симуляции согласно структуре и материалам платы, типу корпусов компонентов и рабочей среде для оценки термического поведения платы. Анализ должен проводиться на концептуальной стадии до разводки и на протяжении всего процесса проектирования.

Результаты термического анализа дают значения температур компонентов, платы и воздушного потока, отображая термические атрибуты платы в виде цветных карт, изотерм или конкретных данных.

На основе результатов термического анализа можно быстро выявить термические проблемы платы, своевременно принять меры, устранить зоны высокой температурной плотности, определить теплопроводящие пути, оптимизировать положение ключевых компонентов, форму и размеры радиаторов для максимального использования скорости рассеивания, повысить эффективность теплопередачи тепловых отверстий и радиаторов, определить расстояния между платами и компонентами на платах.

PCBCart имеет богатый опыт производства печатных плат с передовыми характеристиками

С момента основания в 2005 году PCBCart производит печатные платы для клиентов из 80+ стран. Наши платы широко используются практически во всех отраслях. Вы можете обратиться к нам для обсуждения вашего кастомного проекта печатной платы.

Полезные ресурсы:
• Соображения термического проектирования печатных плат
• Внутреннее термическое рассеивание платы на основе термической модели
• Металлоядерная печатная плата — идеальное решение термических проблем в PCB и PCBA
• Как оценить производителя печатных плат или монтажника
• Полнофункциональный сервис изготовления печатных плат от PCBCart
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart