Leiterplatte Blog - Entwurfstechniken zur Wärmeableitung von Leiterplatten

1. Die Bedeutung von Leiterplatten thermische Auslegung

Die elektrische Energie, die elektronische Geräte während des Betriebs verbrauchen,wie Hochfrequenzleistungsverstärker, FPGA-Chips, und Energieprodukte, zusätzlich zu nützlicher Arbeit, wird meist in Wärme zur Ableitung umgewandelt. Die von den elektronischen Geräten erzeugte Wärme bewirkt, dass die Innentemperatur schnell ansteigt. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt wird, die Ausrüstung wird sich weiter aufheizen, Das Gerät schlägt aufgrund von Überhitzung fehl, und die Zuverlässigkeit der elektronischen Ausrüstung wird abnehmen. SMT erhöht die Installationsdichte von elektronischen Geräten, reduziert den effektiven Wärmeableitungsbereich, und der Temperaturanstieg der Ausrüstung beeinträchtigt ernsthaft die Zuverlässigkeit. Daher, die Forschung auf dem thermischen Design ist sehr wichtig. Die Wärmeableitung der Leiterplatte ist eine sehr wichtige Verbindung, also was ist die Wärmeableitung Technik der Leiterplatte Leiterplatte, Lass uns gemeinsam darüber reden.. Für elektronische Geräte, während des Betriebs eine bestimmte Menge an Wärme erzeugt wird, so dass die Innentemperatur der Ausrüstung schnell ansteigt. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt wird, die Ausrüstung wird sich weiter aufheizen, und das Gerät wird aufgrund von Überhitzung ausfallen. Die Zuverlässigkeit der elektronischen Geräte Die Leistung wird sinken. Daher, Es ist sehr wichtig, eine gute Wärmeableitung auf der Leiterplatte durchzuführen.

2. Analyse von Leiterplatten temperature rise factors
Die direkte Ursache für den Temperaturanstieg der Leiterplatte ist auf das Vorhandensein von Stromverbrauchsgeräten der Schaltung zurückzuführen.Elektronische Geräte haben alle Stromverbrauch in unterschiedlichem Maße, und die Heizintensität variiert mit der Größe des Stromverbrauchs.
Zwei Phänomene des Temperaturanstiegs in der Leiterplatte:
(1)Lokaler Temperaturanstieg oder großflächiger Temperaturanstieg;

(2)Kurzfristiger Temperaturanstieg oder langfristiger Temperaturanstieg. Bei der Analyse des thermischen Stromverbrauchs der Leiterplatte,Es wird im Allgemeinen aus folgenden Aspekten analysiert.

Stromverbrauch

(1) Analysieren Sie den Stromverbrauch pro Flächeneinheit;
(2)Analysieren Sie die Verteilung des Stromverbrauchs auf der Leiterplatte.

Die Struktur der Leiterplatte

(1) Die Größe der Leiterplatten;
(2) Das Material der Leiterplatte.

So installieren Sie die Leiterplatte

(1) Installationsmethode (wie vertikale Installation, horizontale Installation);
(2) Der Dichtzustand und der Abstand zum Gehäuse.

Wärmestrahlung

(1) Der Emissionsgrad der Leiterplattenoberfläche;
(2) Die Temperaturdifferenz zwischen der Leiterplatte und der angrenzenden Oberfläche und deren Temperatur

Wärmeleitung

(1) Einbau des Heizkörpers;
(2) Durchführung anderer Installationsstrukturen.

Thermische Konvektion

(1) Natürliche Konvektion;
(2) Erzwungene Kühlkonvektion.

Die Analyse der oben genannten Faktoren aus dem Leiterplatte ist eine effektive Möglichkeit, den Temperaturanstieg der Leiterplatte zu lösen. Diese Faktoren sind in einem Produkt und System oft miteinander verbunden und voneinander abhängig. Die meisten Faktoren sollten entsprechend der tatsächlichen Situation analysiert werden. Die spezifischen Ist-Bedingungen können genauer berechnet oder geschätzt werden Parameter wie Temperaturanstieg und Stromverbrauch.

3. Einige Methoden der Leiterplatte thermal design
Wärmeableitung durch die Leiterplatte itself
Zur Zeit, die weit verbreitete Leiterplattes sind kupferplattiert/Epoxidglastuchsubstrate oder Phenolharzglastuchsubstrate, und eine kleine Menge von papierbasierten kupferplattierten Platten verwendet werden. Obwohl diese Substrate ausgezeichnete elektrische Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften haben, sie/Sie haben schlechte Wärmeableitung. Als Wärmeableitungsverfahren für hocherhitzende Bauteile, Es ist fast unmöglich zu erwarten, dass Wärme vom Harz der Leiterplatte selbst Wärme leitet, aber um Wärme von der Oberfläche des Bauteils an die Umgebungsluft abzuleiten. Allerdings, als elektronische Produkte in die Ära der Miniaturisierung von Komponenten eingetreten sind, Montage mit hoher Dichte, und Hochheizungsmontage, Es reicht nicht aus, sich auf die Oberfläche eines Bauteils mit einer sehr kleinen Oberfläche zu verlassen, um Wärme abzuleiten. Zur gleichen Zeit, aufgrund des großen Einsatzes von Oberflächenbauteilen wie QFP und BGA, Die von den Bauteilen erzeugte Wärme wird an die Leiterplatte in großer Menge. Daher, Die Lösung zur Wärmeableitung besteht darin, die Wärmeableitungskapazität des Leiterplatte direkt in Kontakt mit dem Heizelement, und führen sie durch die Leiterplatte. Geh raus oder schick raus.

Hochwärmeerzeugende Komponenten plus Heizkörper und Wärmeleitplatte

Wenn eine geringe Anzahl von Komponenten in der Leiterplatte eine große Menge Wärme erzeugen (weniger als 3), Ein Heizkörper oder eine Wärmeleitung kann dem Heizelement hinzugefügt werden. Wenn die Temperatur nicht gesenkt werden kann, Ein Heizkörper mit Ventilator kann zur Verbesserung der Wärmestrahlung verwendet werden.Wenn die Anzahl der Heizgeräte groß ist (mehr als 3), kann eine große Wärmeableitungsabdeckung (Platine) verwendet werden, Dies ist ein spezieller Kühlkörper, der entsprechend der Position und Höhe des Heizgeräts auf der Leiterplatte oder eines großen flachen Kühlkörpers angepasst ist.. Die Wärmeableitungsabdeckung ist integral auf der Oberfläche des Elements geknickt, und es ist in Kontakt mit jedem Element, um Wärme abzuleiten. Allerdings, Der Wärmeableitungseffekt ist aufgrund der schlechten Konsistenz der Höhe während der Montage und des Schweißens von Komponenten nicht gut. Normalerweise, Ein weiches thermisches Phasenwechsel-Thermopad wird auf der Oberfläche des Bauteils hinzugefügt, um den Wärmeableitungseffekt zu verbessern.

Für Ausrüstung, die freie Konvektionsluftkühlung annimmt,die integrierten Schaltungen (oder andere Geräte) vertikal oder horizontal angeordnet sind.

Verwenden Sie vernünftiges Verdrahtungsdesign, um Wärmeableitung zu erreichen

Weil das Harz in der Platte eine schlechte Wärmeleitfähigkeit hat, und die Kupferfolienlinien und Löcher sind gute Wärmeleiter, Erhöhung der Restrate der Kupferfolie und Erhöhung der wärmeleitenden Löcher sind die wichtigsten Mittel der Wärmeableitung. Zur Bewertung der Wärmeableitungskapazität eines Leiterplatte, Es ist notwendig, die äquivalente Wärmeleitfähigkeit eines Verbundmaterials zu berechnen, das aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit besteht – einem isolierenden Substrat für eine Leiterplatte.

Die Geräte auf derselben Leiterplatte sollten so weit wie möglich nach ihrem Heizwert und Grad der Wärmeableitung angeordnet sein. Geräte mit niedrigem Heizwert oder schlechter Hitzebeständigkeit (z.B. kleine Signaltransistoren), kleine integrierte Schaltungen, Elektrolytkondensatoren, etc.)Am vorgelagerten (Einlass) des Kühlluftstroms sind Geräte mit großer Wärme- oder Wärmebeständigkeit (wie Leistungstransistoren, große integrierte Schaltkreise, etc.) dem Kühlluftstrom nachgelagert.

In horizontaler Richtung, Hochleistungsgeräte werden so nah wie möglich an der Kante der Leiterplatte platziert, um den Wärmeübertragungsweg zu verkürzen; in vertikaler Richtung, Hochleistungsgeräte werden so nah wie möglich an der Oberseite der Leiterplatte platziert, um die Temperatur anderer Geräte zu senken, wenn diese Geräte funktionieren. Auswirkungen.

Die Wärmeableitung der Leiterplatte in der Ausrüstung beruht hauptsächlich auf Luftstrom, so sollte der Luftstrompfad während des Entwurfs untersucht werden, und das Gerät oder die Leiterplatte sollte angemessen konfiguriert sein. Wenn Luft strömt, Es neigt immer dazu, an Stellen mit geringem Widerstand zu fließen, also bei der Konfiguration von Geräten auf einer Leiterplatte, Vermeiden Sie das Verlassen eines großen Luftraums in einem bestimmten Gebiet. Die Konfiguration mehrerer Leiterplatten in der gesamten Maschine sollte auch auf das gleiche Problem achten.

Das temperaturempfindliche Gerät befindet sich in einem Temperaturbereich (z. B. am Geräteboden). Stellen Sie es niemals direkt über das Heizgerät. Mehrere Geräte sind in einer versetzten horizontalen Ebene angeordnet.

Anordnung von Leistungsableitungs- und Wärmeerzeugungskomponenten in der Nähe des Wärmeableitungsplatzes. Stellen Sie keine Hochheizgeräte an den Ecken und Randkanten der Leiterplatte, es sei denn, ein Kühlkörper ist in der Nähe angeordnet. Bei der Auslegung des Leistungswiderstands, Wählen Sie so viel wie möglich ein größeres Gerät, und machen Sie es haben genug Platz für Wärmeableitung, wenn Sie das Layout der Leiterplatte anpassen.

Der HF-Leistungsverstärker oder LED Leiterplatte nimmt ein metallisches Basissubstrat an.

Vermeiden Sie die Konzentration von Hot Spots auf der Leiterplatte, Verteilen Sie die Leistung gleichmäßig auf die Leiterplatte so viel wie möglich, und halten Sie die Oberflächentemperaturleistung des Leiterplatte einheitlich und einheitlich. Es ist oft schwierig, eine strenge gleichmäßige Verteilung während des Entwurfsprozesses zu erreichen, Bereiche mit zu hoher Leistungsdichte müssen vermieden werden, um zu verhindern, dass Hot Spots den normalen Betrieb des gesamten Stromkreises beeinträchtigen. Wenn möglich, Es ist notwendig, die thermische Leistung von gedruckten Schaltungen zu analysieren. Zum Beispiel, das Softwaremodul zur Analyse des thermischen Leistungsindex in einigen Leiterplatte Design-Software kann Designern helfen, das Schaltungsdesign zu optimieren.

4. Zusammenfassung

Materialauswahl

(1)Der Temperaturanstieg der Leitungen der Leiterplatte aufgrund des Durchgangsstroms plus der angegebenen Umgebungstemperatur sollte 125° Celsius nicht überschreiten (üblicher typischer Wert, der je nach gewählter Platine unterschiedlich sein kann). Da die auf der Leiterplatte verbauten Bauteile auch etwas Wärme abgeben, die die Betriebstemperatur beeinflusst, Diese Faktoren sollten bei der Materialauswahl und beim Design der Leiterplatte berücksichtigt werden, und die Hot-Spot-Temperatur sollte 125 Grad Celsius nicht überschreiten. Wählen Sie dickeres Kupfer so viel wie möglich plattiert.
(2) In besonderen Fällen, auf Aluminiumbasis, auf keramischer Basis, und andere Platten mit niedrigem Wärmewiderstand können ausgewählt werden.
(3) Die Annahme von mehrschichtiger Brettstruktur ist hilfreich für Leiterplatte thermisches Design.

Stellen Sie sicher, dass der Wärmeableitungskanal entsperrt ist

(1)Nutzen Sie die Anordnung der Komponenten voll aus, Kupferhaut, Fensteröffnung und Wärmeableitungslöcher, um einen vernünftigen und effektiven Kanal mit niedrigem Wärmewiderstand zu etablieren, um sicherzustellen, dass die Wärme reibungslos aus dem Leiterplatte.
(2) Die Einstellung der Wärmeableitung durch Löcher Entwerfen Sie einige Wärmeableitung durch Löcher und blinde Löcher, die den Wärmeableitungsbereich effektiv erhöhen und den thermischen Widerstand verringern kann, und erhöhen Sie die Leistungsdichte der Leiterplatte. Zum Beispiel, Einrichtung über Löcher an den Pads von LCCC-Geräten. Löt füllt es im Kreislaufproduktionsprozess, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Die während des Schaltungsbetriebs erzeugte Wärme kann schnell auf die Metallwärmeableitungsschicht oder das Kupferpad auf der Rückseite durch die Durchgangslöcher oder Sacklöcher übertragen werden, die abgeführt werden sollen. In einigen spezifischen Fällen, Eine Leiterplatte mit einer Wärmeableitungsschicht ist speziell entworfen und verwendet. Das Wärmeableitungsmaterial ist im Allgemeinen Kupfer/Molybdän und andere Stoffe, z. B. Leiterplatten, die an einigen Modulnetzteilen verwendet werden.
(3) Verwendung von wärmeleitenden Materialien Zur Reduzierung des thermischen Widerstands im Wärmeleitungsprozess, Wärmeleitfähige Materialien werden auf der Kontaktfläche zwischen der Vorrichtung mit hohem Stromverbrauch und dem Substrat verwendet, um die Wärmeleitungseffizienz zu verbessern.
(4)Die Verfahrensmethode kann in einigen Bereichen, in denen das Gerät beidseitig montiert ist, lokale Hochtemperatur verursachen. Zur Verbesserung der Wärmeableitungsbedingungen, Eine kleine Menge an kleinem Kupfer kann in die Lotpaste gemischt werden, und es wird eine bestimmte Menge von Lötstellen unter dem Gerät nach dem Durchflusslöten geben. high. Der Abstand zwischen dem Gerät und der Leiterplatte wird vergrößert, und die Konvektionswärmeableitung wird erhöht.

Anforderungen an die Anordnung der Bauteile

(1) Führen Sie thermische Softwareanalysen auf der Leiterplatte durch und entwerfen und steuern Sie den internen Temperaturanstieg;
(2)Es kann in Betracht gezogen werden, Komponenten mit hoher Wärmeerzeugung und großer Strahlung speziell auf einer Leiterplatte zu entwerfen und zu installieren;
(3)Die Wärmekapazität der Platte ist gleichmäßig verteilt. Achten Sie darauf, Hochleistungskomponenten nicht konzentriert zu platzieren. Wenn es unvermeidlich ist, kurze Bauteile vor dem Luftstrom platzieren und sicherstellen, dass ausreichend Kühlluft durch den Wärmeverbrauchskonzentrat strömt;
(4) Machen Sie den Wärmeübertragungsweg so kurz wie möglich;
(5) Machen Sie den Wärmeübertragungsquerschnitt so groß wie möglich;
(6)Die Anordnung der Bauteile sollte den Einfluss der Wärmestrahlung auf die umgebenden Teile berücksichtigen. Wärmeempfindliche Teile und Bauteile (einschließlich Halbleiterbauelemente) sollten von Wärmequellen ferngehalten oder isoliert werden;

(7)(Flüssiges Medium) Halten Sie den Kondensator von der Wärmequelle fern;
(8) Achten Sie auf die Richtung der Zwangsbelüftung und natürlichen Belüftung;
(9) Die zusätzlichen Unterbretter und Geräteluftkanäle befinden sich in der gleichen Richtung wie die Lüftung;
(10) Achten Sie so weit wie möglich darauf, dass Ansaug und Auspuff einen ausreichenden Abstand haben;
(11) Die Heizvorrichtung sollte so weit wie möglich über dem Produkt platziert werden und sollte in den Luftstromkanal gelegt werden, wenn die Bedingungen es zulassen;
(12)Bauteile mit hoher Hitze oder hohem Strom sollten nicht an den Ecken und Randkanten der Leiterplatte platziert werden. Sie sollten so lange wie möglich auf dem Heizkörper installiert werden, und von anderen Komponenten ferngehalten, and ensure that the heat dissipation channel is unobstructed;
(13)(Peripheriegeräte für kleine Signalverstärker) Versuchen Sie, Geräte mit geringer Temperaturdrift zu verwenden;

(14) Verwenden Sie Metallchassis oder -chassis, um Wärme so weit wie möglich abzuleiten.

Anforderungen an die Verkabelung

(1)Leiterplattenauswahl (vernünftiges Design der Leiterplattenstruktur);
(2) Verdrahtungsregeln;
(3) Planen Sie die Kanalbreite entsprechend der Stromdichte des Geräts; Achten Sie besonders auf die Kanalverdrahtung an der Kreuzung;
(4) Die Hochstromleitungen sollten so oberflächlich wie möglich sein; Wenn die Anforderungen nicht erfüllt werden können, kann die Verwendung von Busschienen in Betracht gezogen werden;
(5)Zur Minimierung des thermischen Widerstands der Kontaktfläche. Aus diesem Grund, die Wärmeleitungsfläche sollte vergrößert werden; Die Kontaktfläche sollte flach und glatt sein, Bei Bedarf kann das wärmeleitende Silikonfett beschichtet werden;
(6) Berücksichtigen Sie Spannungsausgleichsmaßnahmen für thermische Spannungspunkte und verdicken Sie die Linien;
(7)Die wärmeableitende Kupferhaut muss die Fenstermethode der Wärmeableitungsspannung annehmen und die wärmeableitende Lötmaske verwenden, um das Fenster richtig zu öffnen;
(8) Wenn möglich, großflächige Kupferfolie auf der Oberfläche verwenden;
(9) Verwenden Sie größere Pads für die Bodenbefestigungslöcher auf der Leiterplatte, um die Befestigungsschrauben und die Kupferfolie auf der Oberfläche der Leiterplatte zur Wärmeableitung voll zu nutzen;
(10)Platzieren Sie so viele metallisierte Vias wie möglich, und die Öffnung und die Scheibenoberfläche sollten so groß wie möglich sein, Verlassen Sie sich auf Durchkontaktierungen, um die Wärmeableitung zu unterstützen;

(11) Zusätzliche Mittel zur Wärmeableitung von Geräten;
(12) Für den Fall, dass die großflächige Kupferfolie auf der Oberfläche garantiert werden kann, darf das Verfahren zum Hinzufügen eines Kühlkörpers aus wirtschaftlichen Gründen nicht verwendet werden;
(13) Berechnen Sie die geeignete Wärmeableitung Kupferfläche der Leiterplatte Oberfläche entsprechend dem Stromverbrauch des Geräts, the ambient temperature and the allowable junction temperature (guarantee principle tj≤(0.5～0.8)tjmax).