Проектирование мощной печатной платы в условиях высокой температуры

Являясь наиболее распространенной интегрированной платформой компонентов, многослойные печатные платы соединяют печатные платы и компоненты вместе. По мере того, как электронные продукты становятся легкими, тонкими и небольшими по размеру, а также имеют высокую производительность, компоненты интегральных схем стали высокоинтегрированными, что приводит к высокой целостности печатных плат. В результате тепловыделение, очевидно, увеличилось, а тепловая плотность печатных плат значительно увеличилась, особенно из-за массового использования высокочастотных компонентов ИС, таких как аналогово-цифровые или цифро-аналоговые преобразователи, и повышения частоты цепи. Если большие тепловые потери не удастся отвести, это сильно повлияет на надежность электронного оборудования. По статистике, среди элементов, приводящих к выходу из строя электронного оборудования, до 55% приходится на температуру, как основную причину. С повышением температуры частота отказов электронных компонентов будет увеличиваться в геометрической прогрессии. При повышении температуры окружающей среды на 10°C частота отказов некоторых электронных компонентов может увеличиться вдвое. Для аэрокосмической продукции этот тип конструкции термоконтроля нельзя даже игнорировать, поскольку неподходящий метод проектирования для всех видов цепей в особых условиях может привести к полному отказу всей системы. Поэтому при проектировании печатной платы необходимо уделять большое внимание тепловому расчету.

Анализ следует начинать с анализа причин. Прямая причина высокой температуры печатных плат кроется в наличии компонентов энергопотребления. Каждый компонент имеет потребляемую мощность в разной степени, что вызывает изменение термической прочности. Существует 2 типа явления повышения температуры:локальное повышение температуры или повышение температуры на большой площади и кратковременное повышение температуры или долговременное повышение температуры. Теплопередача имеет 3 пути:теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. Излучение рассеивает тепло посредством движения электромагнитных волн, проходящих через пространство. Поскольку рассеяние излучения отличается относительно небольшим количеством тепла, его обычно рассматривают как вспомогательный метод рассеяния. В этом отрывке будет представлено решение проблемы отвода тепла печатной платы в процессе длительной работы в среде с высокой температурой на основе технологии теплопроводности и теплоотвода на примере печатной платы с сервоприводом.

На этой печатной плате сервопривода имеется 2 микросхемы усилителя мощности мощностью 2 Вт, 2 микросхемы преобразования R/D, 2 микросхемы ЦП, 1 микросхема EPLD и 1 микросхема аналого-цифрового преобразования. Общая мощность этой платы сервопривода составляет 9 Вт. Плата сервопривода установлена ​​в герметичном помещении с ограниченной конвекцией воздуха. Кроме того, из-за ограниченного пространства на печатной плате сервопривода нельзя установить охлаждающую пластину. Чтобы обеспечить нормальную работу печатной платы сервопривода, для передачи тепла, выделяемого печатной платой, к корпусу можно использовать только технологию теплопроводности и теплоотвода.

Это распространенный метод рассеивания тепла через печатную плату с металлическим сердечником. Во-первых, между многослойной печатной платой встраивается металлическая плата с отличной теплопроводностью. Затем тепло отводится непосредственно от металлической платы или к металлической плате подключается разъединяющее оборудование для отвода тепла. Операционная структура показана на рисунке 1.

Основным материалом печатной платы с металлическим сердечником является алюминий, медь и сталь. Его также можно использовать в качестве грунтового слоя. Верхний слой и нижний слой печатной платы с металлическим сердечником могут быть соединены через металлизированное сквозное отверстие, и тепло может передаваться на внутренний слой и поверхность печатной платы с металлическим сердечником. Нагревательные элементы могут быть припаяны непосредственно к плате через дно и отверстие для теплопроводности. В результате тепло, выделяемое нагревательными элементами, напрямую передается на печатную плату с металлическим сердечником, которая передает тепло на касательное шасси через отверстие для теплопроводности и отправляет его наружу. Печатные платы с такой структурой имеют широкий спектр применений, но также могут вызвать некоторые проблемы. Печатные платы с металлическим сердечником настолько толстые, что деформация имеет тенденцию происходить при неравномерном отводе тепла, что приводит к неплотному контакту между чипами на печатной плате и выводами. Печатные платы с металлическим сердечником легко и быстро рассеивают тепло, что создает огромные трудности при замене микросхем и в процессе замены микросхем; локальное тепловое притяжение печатных плат с металлическим сердечником приведет к серьезной деформации печатных плат. Подтверждено, что чем больше площадь печатной платы, тем легче она деформируется.

Чтобы решить вышеперечисленные проблемы, необходимо перейти на печатные платы с металлическим сердечником:

а. 4-слойная медная фольга толщиной 0,15 мм может быть зажата в печатных платах, так что толщина печатных плат может увеличиться на 3 мм, чтобы гарантировать, что печатные платы не будут легко деформироваться, а надежность сквозных отверстий возрастет.

б. Что касается чипов с тепловыделением 2 Вт, то на дно чипов можно добавить прокладку SMT для передачи тепла металлическому слою печатной платы.

в. Дно чипа способно передавать тепло внутреннему слою медной фольги за счет медной фольги с большой площадью и теплопроводностью через отверстие.

д. Изоляционный слой с обеих сторон печатной платы может быть срезан для металлизации края печатной платы. Отвод тепла может быть достигнут за счет контакта между печатной платой с открытым краем и основанием. Установка может быть завершена 36 винтами для увеличения теплопроводности печатной платы и корпуса.

После реализации указанных выше мероприятий модернизированный дизайн печатной платы показан на рис. 2.

Чтобы настроить имитационное моделирование и анализ на печатной плате сервопривода, используется программное обеспечение FLoTHERM для тепловых ситуаций электронного оборудования. Краевое состояние платы сервопривода:температура окружающей среды 65°C, время работы 90 минут. Все компоненты на печатной плате сервопривода соответствуют требованиям снижения номинальных характеристик X. Допустимая температура тела для каждого компонента показана в следующей таблице:

Основные компоненты питания на плате сервопривода включают в себя 2 микросхемы (49,76 мм * 41,4 мм), каждая из которых потребляет 2 Вт тепла. Потребление тепла другими компонентами на печатной плате сервопривода составляет всего 5 Вт, а потребление тепла всей печатной платой составляет 9 Вт, компоненты сервопривода 10 Вт, блок питания 40 Вт, а общее потребление тепла сервоприводом и блоком питания составляет 59 Вт.

Температура микросхемы управления сервоприводом показана на рисунке 3.

Тепловой анализ работы в течение 90 минут при температуре окружающей среды 65°C показывает:в процессе непрерывной работы в течение 30 минут температура чипа быстро повышается, достигая 72°C и выше; в процессе непрерывной работы в течение 50 минут температура чипа постепенно остается стабильной; в процессе эксплуатации непрерывно 90 минут; температура корпуса чипа 2W (87°C) составляет 77,9°C; температура корпуса чипа 0,6 Вт (87°C) составляет 84°C; температура корпуса чипа мощностью 0,5 Вт (87°C) составляет 78,2°C; температура корпуса микросхемы мощностью 0,5 Вт (85°C) составляет 77°C.

Основываясь на расчете и моделировании рабочих условий теплового проектирования, температура чипа сервоуправления остается в разумном диапазоне. В процессе теоретического анализа между чипами и платой по умолчанию нет зазора. Но в фактическом процессе установки между ними, возможно, есть некоторое пространство, и силикагель можно использовать для заполнения пространства, чтобы обеспечить эффект рассеивания тепла печатной платой.

Позвольте PCBCart произвести ваши мощные печатные платы

Компания PCBCart занимается производством печатных плат с 2005 года. Наш более чем десятилетний опыт включает печатные платы для многочисленных проектов, связанных с высокими температурами. Нужно как-то изготовить ваши печатные платы? Свяжитесь с нами на этой странице и узнайте, как мы можем помочь. Расценки на печатные платы всегда бесплатны и приветствуются.

Полезные ресурсы
• Использование лучших ресурсов производства электроники в Китае для достижения оптимального баланса между стоимостью и производительностью
• Как оценить производителя печатных плат или сборщика печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart
• Расширенный сервис сборки печатных плат от PCBCart