Термический анализ печатных плат и методы теплового проектирования

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) - высокотехнологичное предприятие, специализирующееся на производстве и продаже аксессуаров для телефонов. Наша основная продукция включает в себя дорожные зарядные устройства, автомобильные зарядные устройства, USB-кабели, блоки питания и другие цифровые продукты. Все продукты безопасны и надежны, имеют уникальный стиль. Продукты проходят такие сертификаты, как CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick и т. д. , Если вы заинтересованы, вы можете связаться с ceo@schitec.com напрямую.

Заряжайте безопасно с SChitec

Термический анализ печатных плат и методы теплового проектирования

1. Источник тепла печатной платы

Помимо полезной работы, часть мощности, потребляемой адаптером питания во время работы, преобразуется в тепло. Тепло, выделяемое адаптером питания, приводит к быстрому повышению внутренней температуры. Если тепло не будет рассеиваться вовремя, температура продолжит расти, а компоненты выйдут из строя из-за перегрева, а надежность адаптера питания снизится. SMT увеличивает плотность монтажа компонентов адаптера питания, уменьшает эффективную площадь рассеивания тепла, а повышение температуры адаптера питания серьезно влияет на надежность. Поэтому исследование тепловой конструкции печатной платы адаптера питания очень важно. Непосредственная причина повышения температуры печатной платы адаптера питания связана с наличием силовых компонентов схемы, электронные компоненты имеют разную степень энергопотребления, а интенсивность нагрева зависит от потребляемой мощности. Двумя явлениями повышения температуры печатной платы являются: 1 локальное повышение температуры или повышение температуры на большой площади; 2 кратковременное повышение температуры или длительное повышение температуры.

В плате адаптера питания имеется три основных источника тепла: тепло электронных компонентов, тепло самой печатной платы и тепло от других частей. Среди трех источников тепла компонент генерирует наибольшее количество тепла, который является основным источником тепла, за которым следует тепло, вырабатываемое печатной платой. Внешнее тепловложение зависит от общей тепловой конструкции адаптера питания.

Тепловыделение компонентов определяется их энергопотреблением. Поэтому в первую очередь при проектировании следует выбирать компоненты с низким энергопотреблением, чтобы минимизировать выделение тепла. Второе — настройка рабочей точки компонента. Как правило, его следует выбирать в пределах номинального рабочего диапазона. При работе в этом диапазоне производительность хорошая, энергопотребление небольшое, срок службы длительный. Само силовое устройство генерирует большое количество тепла и должно быть спроектировано таким образом, чтобы избегать работы с полной нагрузкой. Для мощных устройств должен быть реализован принцип снижения номинальных характеристик и соответствующим образом увеличено разнообразие конструкции, что полезно для повышения стабильности, надежности и выделения тепла адаптера питания.

Печатная плата состоит из медного проводника и изолирующего диэлектрического материала, и обычно считается, что изолирующий диэлектрический материал не выделяет тепла. Медный проводник имеет сопротивление, обусловленное самой медью. Когда ток проходит, он выделяет тепло. При прохождении небольшого тока в мА (миллиампер) и мкА (микроампер) проблема нагрева незначительна, но когда ток высокий (100 мА и более), когда вы проходите, вы не можете игнорировать это. Стоит отметить, что при повышении температуры медного проводника до 85 градусов С сам изоляционный материал начинает желтеть, ток продолжает проходить и в конечном итоге медный проводник перегорает. В частности, медный проводник во внутреннем слое многослойной печатной платы окружен смолой, имеющей плохую теплопроводность, и рассеивание тепла затруднено, поэтому температура неизбежно повышается, поэтому особое внимание следует уделить конструкции ширины линии меди. проводник. Фактически, при проектировании разводки печатной платы ширина дорожки в основном определяется средой выделения и рассеивания тепла. Площадь поперечного сечения медного проводника определяет сопротивление провода (потери сигнала, вызванные сопротивлением линии в цифровой схеме, незначительны), а теплопроводность медного проводника и изолирующей подложки влияет на повышение температуры, что, в свою очередь, влияет на теплопроводность медного проводника и изолирующей подложки. определяет текущую пропускную способность. Например, площадь поперечного сечения медного проводника постоянна. Когда допустимое значение тока составляет 2 А, а значение повышения температуры ниже 10 градусов C, ширина линии должна составлять 2 мм для медной фольги толщиной 35 мкм и 1 мм для медной фольги толщиной 70 мкм. . Можно сделать вывод, что, когда площадь поперечного сечения, допустимый ток и значение повышения температуры медного проводника постоянны, требования к рассеиванию тепла могут быть удовлетворены за счет двух аспектов: увеличения толщины медной фольги или увеличения ширины линии. медный проводник.

2. Термический анализ цепи

Термический анализ схемы разделен на три этапа: сначала оценка тепла, выделяемого в компоненте, затем оценка тепла, излучаемого печатной платой или радиатором, и, наконец, оценка температуры окружающей среды, при которой компонент будет работать. Печатная плата или радиатор будут рассеивать тепло компонента за счет конвекции, проводимости или излучения. Кондуктивный отвод тепла происходит в основном за счет теплопроводности металлического выводного каркаса микросхемы силового устройства и медной фольги на печатной плате. Когда медная фольга печатной платы или дискретный радиатор проводят тепло, они обеспечивают достаточно большую площадь поверхности для конвекционного рассеивания тепла в воздух.

Существуют также некоторые трудности с конвекционным отводом тепла. При высоких температурах термическое сопротивление увеличивается. По этой причине термическое сопротивление используется в качестве параметра термического анализа. Если в характеристиках компонента указано тепловое сопротивление Rja от перехода наружу, это значение указывает на повышение температуры, когда компонент не подключен к радиатору или не припаян к печатной плате. Ключевым тепловым сопротивлением в тепловом проектировании является тепловое сопротивление Rjb от чипа до печатной платы и тепловое сопротивление Rjc от чипа до поверхности корпуса. Rja можно измерить с помощью двух печатных плат стандарта JEDEC: одна для односторонней печатной платы, а другая для многослойной печатной платы. Если у вас есть спецификации Rjb и Rjc, вы можете оценить истинное повышение температуры компонента. При измерении Rja других микросхем на плате нет. Когда вокруг компонентов расположены источники питания и другие теплорассеивающие микросхемы, а печатная плата находится в безвентиляторном пластиковом корпусе с ограниченным пространством, фактическое повышение температуры будет выше, чем измерение Rja. Ценность заключается в том, что верхняя поверхность пластиковой упаковки большинства компонентов практически не передает тепло. Теплопроводность эпоксидной смолы составляет 0,6 ~ 1Вт/(м·К) (ватт на метр Кельвина), тогда как теплопроводность меди равна 400Вт/(м·К). Поэтому теплопроводность меди в 400–600 раз выше, чем у пластика.

Последним шагом термического анализа является оценка температуры окружающей среды, что очень важно. Например, температура воздуха в лаборатории составляет 25 градусов по Цельсию, а чип на столе работает при температуре 50 градусов по Цельсию. Если эти чипы поместить при температуре окружающей среды 50 градусов по Цельсию, температура чипа достигнет 75 градусов по Цельсию. Однако При оценке шага температуры окружающей среды иногда невозможно определить условия окружающей среды, в которых может работать компонент.

При анализе энергопотребления печатной платы его обычно анализируют с точки зрения следующих аспектов.

(1) Потребление электроэнергии, то есть энергопотребление на единицу площади печатной платы и энергопотребление на печатной плате.

(2) Структура печатной платы, т.е. размер и материал печатной платы.

(3) метод монтажа печатной платы (например, вертикальная установка, горизонтальная установка), состояние уплотнения и расстояние от корпуса.

(4) Тепловое излучение, т.е. коэффициент излучения поверхности печатной платы, разница температур между печатной платой и прилегающей поверхностью и их абсолютная температура.

(5) Теплопроводность, то есть проводимость радиатора и других монтажных компонентов конструкции.

(6) Тепловая конвекция, то есть естественная конвекция и конвекция принудительного охлаждения.

Анализ вышеуказанных факторов является эффективным способом решения проблемы повышения температуры печатной платы. Часто в продукте и системе эти факторы взаимосвязаны и зависимы. Большинство факторов следует анализировать в соответствии с реальной ситуацией. Только для конкретной реальной ситуации можно правильно рассчитать или оценить такие параметры, как повышение температуры и энергопотребление.

3. Основные требования к термическому расчету печатной платы.

При проектировании печатной платы, особенно при проектировании печатной платы для поверхностного монтажа, в первую очередь следует учитывать проблему соответствия коэффициента теплового расширения материала. Существует три типа подложек упаковки для компонентов: жесткая подложка органической упаковки, гибкая подложка органической упаковки и керамическая подложка упаковки. Подложку упаковывают четырьмя методами: технология формования, технология формованной керамики, технология ламинированной керамики и технология ламинированного пластика. Материалами, используемыми для подложки, в основном являются высокотемпературная эпоксидная смола, смола ВТ, полиимид, керамика и огнеупорное стекло. Эти материалы обладают высокой термостойкостью и низкими коэффициентами теплового расширения в направлениях X и Y. При выборе материала печатной платы вы должны понимать форму корпуса компонента и материал подложки, а также учитывать диапазон изменения температуры в процессе пайки компонента. Выберите подложку с коэффициентом теплового расширения, соответствующим тепловому напряжению, вызванному разницей в коэффициенте теплового расширения материала. .

Во многих компонентах используется керамическая подложка корпуса, ее коэффициент теплового расширения обычно составляет (5 ~ 7) × 10-6 / градус C, коэффициент теплового расширения безвыводного керамического носителя микросхем LCCC составляет (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / степень . В подложках некоторых компонентов используются те же материалы, что и в некоторых подложках печатных плат, например PI, BT и термостойкая эпоксидная смола. При выборе подложки печатной платы коэффициент теплового расширения подложки следует учитывать как можно более близкий к коэффициенту теплового расширения материала подложки компонента.

Проводник печатной платы нагревается из-за проходящего тока, а температура окружающей среды не должна превышать 125 градусов C (типовые значения являются общими и зависят от выбранной подложки). Поскольку компоненты монтируются на печатной плате и также выделяют часть тепла, которое влияет на рабочую температуру печатной платы, эти факторы следует учитывать при выборе материала печатной платы и конструкции печатной платы. Температура горячей точки не должна превышать 125 градусов. Подложку печатной платы следует выбирать с максимально толстой медной фольгой. В особых случаях можно выбрать подложку с небольшим термическим сопротивлением, например, на алюминиевой или керамической основе, а многослойная структура также способствует термическому расчету печатной платы.

В настоящее время широко используемыми подложками для печатных плат являются подложки из стеклоткани из эпоксидной смолы с медным покрытием или подложки из стеклоткани из фенольной смолы, а также небольшое количество покрытых медью подложек на бумажной основе. Хотя эти подложки обладают превосходными электрическими и технологическими свойствами, они плохо рассеивают тепло. В качестве средства рассеивания тепла для компонентов с высоким выделением тепла вряд ли ожидается, что он будет проводить тепло от смолы самой печатной платы, а будет рассеивать тепло с поверхности компонентов в окружающий воздух. Однако по мере того, как электронные продукты вступают в эпоху миниатюризации, монтажа с высокой плотностью и высокой температурой сборки, недостаточно рассеивать тепло с помощью очень маленькой площади поверхности компонента. В то же время из-за большого количества компонентов для поверхностного монтажа, таких как QFP и BGA, тепло, выделяемое компонентами, в больших количествах передается на печатную плату. Поэтому лучший способ решить проблему рассеивания тепла — улучшить способность рассеивания тепла самой печатной платы при непосредственном контакте с компонентами, генерирующими тепло. Печатная плата выводится наружу или излучается.

4. Тепловая конструкция печатной платы

Тепловой расчет печатной платы предусматривает три меры: снижение мощности, рассеивание тепла и компоновка. Уменьшение тепла не означает выработку тепла; рассеивание тепла заключается в передаче или рассеивании тепла, которое не влияет на компоненты; Компоновка заключается в том, что если тепло не рассеивается, термочувствительные компоненты можно изолировать с помощью компоновки. Сокращение потребления является наиболее фундаментальным решением. Существует два основных подхода к снижению номинальных характеристик и проектированию с низким энергопотреблением, но их необходимо анализировать в сочетании с конкретными конструкциями. При выборе компонентов старайтесь использовать компоненты с небольшим выделением тепла, такие как микросхемные резисторы, проволочные резисторы (меньше резисторов из углеродной пленки), монолитные конденсаторы, танталовые конденсаторы (меньше бумажных конденсаторов), МОП-схемы, КМОП-схемы (реже используемые) - трубки), устройства для поверхностного монтажа и т. д. Помимо выбора компонентов с низким энергопотреблением, одним из решений также является температурная компенсация и контроль некоторых термочувствительных специальных компонентов.

При снижении номинальных характеристик необходимо учитывать способ снижения потребления. Предположим, что тонкий провод номинально способен пропускать ток 10 А. Ток генерирует на нем больше тепла, и проволоку утолщают для увеличения запаса. Номинально он пропущен через 20А. Когда через ток пропускают 10 А, потери тепла из-за внутреннего сопротивления уменьшаются и тепло становится небольшим. Более того, из-за конструкции со снижением номинальных характеристик, когда температура окружающей среды повышается, в случае ухудшения характеристик компонента из-за запаса, даже если характеристики ухудшаются, требование может быть удовлетворено. В данных условиях, когда температура компонентов схемы превышает температуру, гарантированную надежностью, следует принять соответствующие меры по рассеиванию тепла, чтобы снизить температуру до рабочего диапазона надежности, что является конечной целью теплового проектирования.

Рассеяние тепла является основным содержанием теплового проектирования печатной платы. Для печатных плат существует три основных типа рассеивания тепла: теплопроводность, конвекция и излучение. Теплопроводность и конвекция являются основными средствами рассеивания тепла. Обычным способом рассеивания тепла является использование радиатора для отвода тепла от источника тепла и рассеивания его за счет конвекции воздуха. Излучение — это использование электромагнитных волн в космосе для рассеивания тепла, которое имеет небольшое рассеивание тепла и обычно используется в качестве вспомогательного средства рассеивания тепла.

Целью теплового проектирования печатной платы является принятие соответствующих мер и методов для снижения температуры компонентов и температуры печатной платы, чтобы система работала правильно при правильной температуре. С точки зрения облегчения отвода тепла печатную плату предпочтительно устанавливать вертикально, а расстояние между печатной платой и печатной платой обычно составляет не менее 2 см.