Проектирование печатных плат высокой мощности для высокотемпературных сред

Введение

Как самая распространенная платформа для интеграции компонентов, многослойные печатные платы соединяют цепи и компоненты воедино. С переходом электронных изделий на легкие, тонкие и компактные размеры с высокой производительностью, интегральные схемы становятся высокоинтегрированными, что приводит к высокой плотности печатных плат. В результате тепловыделение заметно возрастает, а термическая плотность печатных плат неуклонно растет, особенно из-за массового применения высокочастотных ИС (АЦП/ЦАП) и повышения тактовой частоты цепей. Если массивные тепловые потери не удаляются, надежность электронного оборудования серьезно страдает. По статистике, среди причин отказов электронного оборудования температура составляет 55%, занимая первое место. С повышением температуры коэффициент отказов электронных компонентов растет экспоненциально: увеличение температуры среды на 10 °C может удвоить частоту отказов некоторых компонентов. Для авиационно-космических изделий термическое управление вообще нельзя игнорировать, так как неправильный подход к проектированию различных цепей в специальных условиях может привести к полному отказу всей системы. Поэтому при проектировании печатных плат особое внимание должно уделяться термическому дизайну.

Анализ причин перегрева

Прямой причиной высокой температуры печатных плат являются компоненты с потребляемой мощностью. Каждый компонент потребляет мощность в разной степени, изменяя термическую интенсивность. Существует два типа повышения температуры: локальное или по большой площади, кратковременное или длительное. Теплопередача происходит тремя способами: проводимость, конвекция и излучение. Излучение отводит тепло через электромагнитные волны в пространстве. Поскольку излучаемое количество тепла относительно невелико, оно обычно рассматривается как вспомогательный метод. В статье предлагается решение для отвода тепла печатной платы при длительной работе в высокотемпературной среде, основанное на теплопроводности и технологии временного накопления тепла в радиаторе, на примере сервопечатной платы.

Характеристики сервопечатной платы

На сервопечатной плате размещены: 2 усилителя мощности по 2 Вт, 2 чипа Р/Ц-преобразования, 2 процессора, 1 чип EPLD и 1 чип АЦП. Общая мощность сервопечатной платы — 9 Вт. Плата устанавливается в герметичной среде с ограниченной конвекцией воздуха. Из-за ограниченного пространства на сервопечатной плате нельзя установить холодную плиту. Для обеспечения нормальной работы можно использовать только теплопроводность и технологию временного накопления тепла в радиаторе для передачи тепла от печатной платы к корпусу.

Металлоядерные печатные платы

Распространенный метод отвода тепла — использование печатных плат с металлическим ядром. Сначала металлическая пластина с высокой теплопроводностью встраивается между слоями многослойной печатной платы. Затем тепло отводится непосредственно от металлической пластины или к ней подключается отдельное устройство для отвода тепла. Рабочая структура показана на рисунке 1.

Основные материалы металлического ядра — алюминий, медь и сталь. Его можно также использовать как заземляющий слой. Верхний и нижний слои металлоядерной печатной платы могут быть соединены металлизированными отверстиями, а тепло передается на внутренние слои и поверхность металлического ядра. Нагревающие элементы могут паяться непосредственно на плату через дно и термические отверстия. Таким образом, тепло, генерируемое нагревающими элементами, напрямую передается на металлическое ядро, которое через термические отверстия передает его в соприкасающийся шасси и отводит наружу. Печатные платы с такой структурой имеют широкое применение, но также создают проблемы. Металлоядерные печатные платы толстые, поэтому при неравномерном теплоотводе происходит деформация, ведущая к плохому контакту между чипами на печатной плате и выводами. Металлоядерные печатные платы быстро отводят тепло, что создает огромные трудности при замене чипов; в процессе замены локальное притяжение тепла металлическим ядром приводит к серьезной деформации печатных плат. Проверено: чем больше площадь печатной платы, тем легче она деформируется.

Улучшение дизайна металлоядерных печатных плат

Для решения вышеуказанных проблем необходимо модернизировать дизайн металлоядерных печатных плат:

1. В печатные платы можно впрессовать 4 слоя медной фольги толщиной 0,15 мм, чтобы толщина печатной платы увеличилась на 3 мм, обеспечивая устойчивость к деформации и повышая надежность металлизированных отверстий.
2. Для чипов с тепловыделением 2 Вт на дне чипа можно добавить SMT-пятно для передачи тепла на металлический слой печатной платы.
3. Дно чипа способно передавать тепло на внутренний медный фольгированный слой через медную фольгу большой площади и термические отверстия.
4. Изоляционный слой с обеих сторон печатной платы можно сфрезеровать для реализации металлизации края печатной платы. Теплоотвод достигается за счет контакта оголенного края печатной платы с основанием. Монтаж выполняется 36 винтами для увеличения теплопроводности между печатной платой и корпусом.

После внедрения этих мер модернизированный дизайн печатной платы показан на рисунке 2.

Симуляционное моделирование и анализ

Для симуляционного моделирования и анализа сервопечатной платы используется программное обеспечение FLoTHERM для термических расчетов электронного оборудования. Граничные условия сервопечатной платы: температура среды 65 °C, время работы 90 минут. Все компоненты на сервопечатной плате соответствуют требованиям по снижению характеристик (derating). Допустимая корпусная температура каждого компонента приведена в таблице:

Компоненты	Потребляемая мощность/Вт	Макс. температура X derating/°C	Макс. корпусная температура X derating/°C
Процессор CPU	0,6	100	87
Чип Р/Ц	0,5	100	87
Чип EPLD	0,5	100	85
Усилитель мощности	2,0	100	87

Основные мощные компоненты на сервопечатной плате — 2 чипа (49,76 мм × 41,4 мм) с потребляемой мощностью 2 Вт каждый. Потребляемая мощность остальных компонентов — 5 Вт, общей печатной платы — 9 Вт, сервопривода — 10 Вт, блока питания — 40 Вт, общая потребляемая мощность сервопривода и блока питания — 59 Вт.

Температура сервоконтроллера показана на рисунке 3.

Тепловой анализ работы 90 минут в среде 65 °C показывает: в течение первых 30 минут температура чипа быстро поднимается выше 72 °C; в течение 50 минут температура постепенно стабилизируется; после 90 минут корпусная температура чипа 2 Вт (допуск 87 °C) составляет 77,9 °C; чипа 0,6 Вт (87 °C) — 84 °C; чипа 0,5 Вт (87 °C) — 78,2 °C; чипа 0,5 Вт (85 °C) — 77 °C.

На основе расчетов и симуляции термического дизайна температура сервоконтроллера остается в допустимом диапазоне. В теоретическом анализе по умолчанию нет зазора между чипами и печатной платой. Но при реальном монтаже возможен зазор, который можно заполнить термопастой для обеспечения эффекта теплоотвода.

PCBCart изготовит ваши печатные платы высокой мощности

PCBCart производит печатные платы с 2005 года. За более чем десять лет мы изготовили платы для множества проектов, связанных с высокими температурами. Нужно как-то изготовить ваши печатные платы? Обратитесь к нам на этой странице и узнайте, как мы можем помочь. Расчет стоимости печатных плат всегда бесплатен и приветствуется.

Полезные ресурсы

• Наилучшее использование ресурсов китайского электронного производства для достижения оптимального баланса между стоимостью и производительностью
• Как оценить производителя печатных платы или монтажника
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart