Экспертное термическое проектирование печатных плат: практические советы по управлению теплом

С появлением компонентов питания в все более мелких поверхностно-монтируемых корпусах важно придумать последовательный подход к смягчению термических требований рассеивания этих компонентов в дизайне печатной платы. Хотя разработка точного математического анализа термических характеристик дизайна печатной платы может быть сложным процессом, возможно применить некоторые простые правила для улучшения термической проводимости вашего дизайна. В конечном счете, правильный контроль рассеивания тепла в вашем дизайне позволит вам производить более надежный и экономичный дизайн печатной платы. Ниже следует краткое обсуждение стандартной термической модели рассеивания и затем некоторые общие правила для работы с термическим рассеиванием в ваших дизайнах.

Сначала важно определить терминологию, которая будет использоваться в остальной части этой записи. Следующая фигура представляет различные компоненты мощного ИС, которые мы должны учитывать при обсуждении термического управления. Мы будем обсуждать температуру перехода (Junction), верха (Top) и корпуса (Case) компонента и их термические сопротивления к окружающей среде на протяжении этой статьи.

С этими терминами в руках, мы кратко рассмотрим стандартную модель, используемую для симуляции термического рассеивания компонента. Термическое сопротивление обычно моделируется как резистивная сеть. Стандартная модель для компонента представлена на следующей фигуре:

На представленной фигуре T_J определяется как температура перехода (внутренняя рабочая часть компонента), T_T — температура «верха» корпуса (обычно пластиковая оболочка компонента), T_C — температура «корпуса» (это температура высокотермопроводящих площадок компонента и прикрепленной печатной платы), а T_A — температура окружающей среды. Цель дизайнера электроники — затем произвести наименьшее возможное термическое сопротивление между переходом и окружающей средой. За исключением θ_CA, термические сопротивления системы (θ_JT, θ_TA и θ_JC) определяются свойствами компонента и могут быть взяты из даташита для данного компонента. Как проектировщик печатных плат, мы в основном влияем на значение θ_CA, которое зависит от нашего дизайна печатной платы. Как таковые, первичная задача для дизайнера — снижение термического сопротивления корпуса ИС к окружающей среде путем снижения этого сопротивления. Насколько хорошо мы сможем снизить это термическое сопротивление (θ_CA) во многом определит температурную разницу (или ее отсутствие), которая разовьется между окружающей средой и переходом компонента.

Замечу, что другой путь для термической проводимости — пластиковый корпус (или «верх») компонента. Поскольку пластиковая упаковка большинства компонентов питания не обеспечивает хороший термический путь к окружающей среде, эффективность термического рассеивания дизайна более сильно зависит от способности дизайна рассеивать термическую энергию в окружающую среду через свой корпус. Единственным исключением является случай, когда мощный ИС спроектирован с термической площадкой на верху компонента. В этом случае ИС спроектирован для присоединения радиатора непосредственно к верху ИС, и термическое рассеивание компонента через его «верх» становится гораздо более важным фактором в дизайне.

Стандартный подход к отведению тепла от компонентов питания — через термическое соединение компонентов питания с соседними медными плоскостями посредством термических виа. Это обычно достигается путем размещения ряда виа в футпринте мощного ИС. Эти виа обеспечивают термическое соединение с медными слоями под ИС, которые затем отводят тепло от компонента.

Кроме того, чем больше медных питающих плоскостей соединено с мощным ИС через термические виа, тем выше эффективность термического рассеивания печатной платы. Например, использование 4-слойного дизайна против 2-слойного может увеличить способность рассеивания мощности печатной платы до 30% при сравнении той же площади этих дизайнов.

Следующие правила проектирования предоставлены как хорошая отправная точка для подхода к термическим соображениям вашего дизайна.

а. Для рассеивания 1 Вт мощности хорошее эмпирическое правило: вашей плате понадобится площадь 15,3 см² или 2,4 дюйма² на ватт рассеиваемой мощности для повышения температуры платы на 40°C. Если плата подвержена воздушному потоку, это требование можно сократить вдвое (7,7 см² или 1,2 дюйма² на ватт). Эти значения предполагают, что компонент термически связан с медной плоскостью, простирающейся до краев платы, и плата позиционирована так, что воздух может свободно течь вокруг обеих сторон платы. Если эти требования плотности мощности слишком ограничительны для вашего дизайна, включение внешнего радиатора может потребоваться. Также повышение температуры на 40°C — хорошая отправная точка для рассмотрения при контроле температуры вашей печатной платы.

б. Всякий раз, когда на плате размещается более одного компонента питания, лучшая практика — размещать эти компоненты так, чтобы ваша печатная плата нагревалась ими равномерно. Большие температурные различия по длине вашего дизайна печатной платы не позволяют плате оптимально отводить термическую энергию от установленных компонентов питания. Если доступно для дизайнера, термическая визуализация может позволить эмпирический осмотр вашего размещения компонентов после завершения ревизии дизайна.

в. Чем больше виа вы можете разместить под вашим компонентом, тем лучше ваша печатная плата будет передавать термическую энергию к соединенной медной плоскости. Группируйте виа в массив, чтобы увеличить количество в контакте с мощными площадками вашего корпуса (большие термически проводящие площадки компонента).

г. В дизайнах, рассеивающих более высокие ваттажи, вам понадобится использовать более тяжелую медь. 1 унция меди рекомендуется как отправная точка для дизайнов питания.

д. При использовании медного полигона для отведения термической энергии от компонента важно, чтобы полигон не прерывался трассами, идущими перпендикулярно термическому пути от компонента питания.

е. Если радиатор нужен для поддержания температуры системы в допуске, замечу, что радиатор обычно будет гораздо более эффективен, если размещен так, чтобы он был термически соединен с корпусом компонента. Это обычно означает присоединение радиатора к противоположной стороне платы от поверхностно-монтируемого компонента. Хотя может быть соблазн разместить радиатор непосредственно на верху компонента, термическое сопротивление пластикового корпуса компонента сделает радиатор неэффективным. Как отмечено выше, исключениями из этого правила являются корпуса, явно спроектированные для присоединения радиаторов к их «верхам».

В резюме, термическая производительность дизайна очень важна для рассмотрения всякий раз, когда вы работаете с компонентами питания. Использование правил проектирования, представленных в этой статье, на ранней стадии процесса проектирования вашей печатной платы позволит вам получить хороший старт в контроле температуры вашей печатной платы и позволит избежать резких переработок позже в процессе разработки.

Полезные ресурсы:
• Самые полные принципы термического проектирования для печатных плат
• Внутреннее термическое рассеивание печатных плат на основе термической модели
• Советы термического проектирования для печатных плат, управляемых FPGA системой
• Проектирование высокомощных печатных плат в высокотемпературной среде
• Металлоядерная печатная плата — идеальное решение термических проблем в PCB и PCBA
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множественные ценности
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки