Leiterplattentechnisch - PCB-Design und die technischen Maßnahmen des thermischen Designs und der thermischen Analyse

1. Die Bedeutung Leiterplatte mit diermischem Design

Neben nützlicher Arbeit, Der größte Teil der elektrischen Energie, die elektronische Geräte während des Betriebs verbrauchen, wird in Wärme umgewandelt und emittiert. 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.

2. Analyse der Temperaturanstiegsfaktoren von Leiterplatten

Die direkte Ursache für den Temperaturanstieg der Leiterplatte ist auf die Existenz von Stromverbrauchsgeräten zurückzuführen, und elektronische Geräte haben alle Stromverbrauch in unterschiedlichem Maße, und die Heizintensität variiert mit der Größe des Stromverbrauchs.

Zwei Phänomene des Temperaturanstiegs in Leiterplatten:

(1) Lokaler Temperaturanstieg oder großer Temperaturanstieg;

(2) Short-term temperature rise or long-term temperature rise.
Bei der Analyse Wärmeleistung der Leiterplatten Verbrauch, Es wird im Allgemeinen aus folgenden Aspekten analysiert.

2.1 Stromverbrauch

(1) Analysieren Sie den Stromverbrauch pro Einheitsfläche;

(2) Analyze the distribution of power consumption on the PCB.

2.2 Die Struktur der Leiterplatte

(1) Die Größe der Leiterplatte;

(2) Das Material der Leiterplatte.

2.3 Die Installationsmethode der Leiterplatte

(1) Installationsmethode (wie vertikale Installation, horizontale Installation);

(2) Die Dichtungszustand und der Abstand vom Gehäuse.

2.4 Wärmestrahlung

(1) Der Strahlungskoeffizienten auf der Oberfläche der Leiterplatte;

(2) Die Temperaturdifferenz zwischen der Leiterplatte und benachbarten Oberflächen und ihre absolute Temperatur;

2.5 Wärmeleitung

(1) Einbau des Heizkörpers;

(2) Durchführung anderer baulicher Teile der Anlage.

2.6 Thermische Konvektion

(1) Natürliche Konvektion;

(2) Erzwungene Kühlkonvektion.

Die Analyse der oben genannten Faktoren von der 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 und nur für eine bestimmte analysiert werden. Die tatsächliche Situation kann die Parameter wie Temperaturanstieg und Stromverbrauch genauer berechnen oder schätzen.

3. Grundsätze der thermischen Auslegung

3.1 Materialauswahl

(1) Der Temperaturanstieg der Leiter der Leiterplatte aufgrund des Durchgangsstroms plus der angegebenen Umgebungstemperatur sollte 125°C nicht überschreiten (der übliche typische Wert kann je nach gewählter Platine unterschiedlich sein). Da die auf der Leiterplatte installierten Komponenten auch etwas Wärme abgeben, die die Betriebstemperatur beeinflusst, sollten diese Faktoren bei der Materialauswahl und beim Design der Leiterplatte berücksichtigt werden. Die Hotspot-Temperatur sollte 125°C nicht überschreiten. Wählen Sie dickeres Kupfer so viel wie möglich plattiert.

(2) In speziellen Fällen können Aluminium-basierte, Keramik-basierte und andere Platten mit niedrigem thermischen Widerstand ausgewählt werden.

(3) Die Verwendung der mehrschichtigen Leiterplattenstruktur hilft PCB-thermisches Design.

3.2 Stellen Sie sicher, dass der Wärmeableitungskanal entsperrt ist

(1) Nutzen Sie die Bauteilanordnung, Kupferhaut, Fensteröffnung und Wärmeableitungslöcher vollständig aus, um einen vernünftigen und effektiven Kanal mit niedrigem Wärmewiderstand zu etablieren, um sicherzustellen, dass die Wärme reibungslos auf die Leiterplatte exportiert wird.

(2) Setting of heat dissipation through holes
Designing some heat dissipation through holes and blind holes can effectively increase the heat dissipation area and reduce the thermal resistance, und verbessern Sie die Leistungsdichte der Leiterplatte. Zum Beispiel, Ein Durchgangsloch ist auf dem Pad des LCCC-Geräts eingerichtet. Löt füllt es im Schaltkreis Produktionsprozess, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. 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) Use of thermally conductive materials
In order to reduce the thermal resistance of the heat Leitung process, Ein wärmeleitendes Material wird auf der Kontaktfläche zwischen der Vorrichtung mit hohem Stromverbrauch und dem Substrat verwendet, um die Wärmeleitungseffizienz zu verbessern.

(4) Process method
For some areas where the device is mounted on both sides, Es ist leicht, lokale hohe Temperatur zu verursachen. Zur Verbesserung der Wärmeableitungsbedingungen, Eine kleine Menge an kleinem Kupfer kann in die Lötpaste gemischt werden, und die Lötstellen unter dem Gerät haben nach dem Reflow-Löten eine bestimmte Höhe. Der Abstand zwischen dem Gerät und der Leiterplatte wird vergrößert, und die Konvektionswärmeableitung wird erhöht.

3.3 Anforderungen an die Anordnung der Bauteile

(1) Führen Sie thermische Analyse der Software auf Leiterplatte durch und entwerfen und steuern Sie den internen maximalen Temperaturanstieg;

(2) Es kann in Betracht gezogen werden, Komponenten mit hoher Hitze und Strahlung speziell auf einer Leiterplatte zu entwerfen und zu installieren;

(3) Die Wärmekapazität des Brettes ist gleichmäßig verteilt. Achten Sie darauf, Hochleistungskomponenten nicht konzentriert zu platzieren. Wenn dies unvermeidbar ist, stellen Sie die kurzen Komponenten vor den Luftstrom und sorgen Sie für einen ausreichenden Kühlluftstrom durch den Wärmeverbrauch konzentrierten Bereich;

(4) Machen Sie den Wärmeübertragungsweg so kurz wie möglich;

(5) Machen Sie den Wärmeübertragungsquerschnitt so groß wie möglich;

(6) Bei der Anordnung der Bauteile sollte der Einfluss der Wärmestrahlung auf die umgebenden Teile berücksichtigt werden. Wärmeempfindliche Teile und Bauteile (einschließlich Halbleiterbauelemente) sollten von Wärmequellen ferngehalten oder isoliert werden;

(7) (Flüssiges Medium) Es ist am besten, den Kondensator von der Wärmequelle fernzuhalten;

(8) Achten Sie auf die Richtung der Zwangsbelüftung und natürlichen Belüftung;

(9) Die zusätzlichen Unterbretter und die Lüftungskanäle der Geräte befinden sich in derselben Richtung wie die Lüftung;

(10) Der Ein- und Auslass sollte möglichst über einen ausreichenden Abstand verfügen;

(11) Die Heizvorrichtung sollte so weit wie möglich über dem Produkt angebracht und in den Luftstromkanal gelegt werden, wenn die Bedingungen dies zulassen;

(12) Bauteile mit hoher Hitze oder hohem Strom sollten nicht an den Ecken und Randkanten der Leiterplatte platziert und so lange wie möglich, weit weg von anderen Komponenten auf dem Heizkörper installiert werden und sicherstellen, dass der Wärmeableitungskanal ungehindert ist;

(13) (Peripheriegeräte für kleine Signalverstärker) Versuchen Sie, Geräte mit geringer Temperaturdrift zu verwenden;

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

3.4 Anforderungen an die Verkabelung

(1) Brettauswahl (vernünftiges Design der Leiterplattenstruktur);

(2) Verdrahtungsregeln;

(3) die Mindestkanalbreite entsprechend der Stromdichte der Einrichtung planen; 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) Minimize the thermal resistance of the contact surface. Aus diesem Grund, die Wärmeleitungsfläche sollte vergrößert werden; Die Kontaktfläche sollte flach und glatt sein, und kann bei Bedarf lackiert werden.
mit Wärmefett beschichtet;

(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 Durchkontaktierungen wie möglich, und die Öffnung und die Scheibenoberfläche sollten so groß wie möglich sein und sich auf Durchkontaktierungen verlassen, um die Wärmeableitung zu unterstützen;

(11) Ergänzende Mittel zur Wärmeableitung von Geräten;

(12) Wenn eine große Oberfläche aus Kupferfolie verwendet werden kann, darf das Verfahren zum Hinzufügen eines Kühlkörpers aus wirtschaftlichen Gründen nicht verwendet werden;

(13) Berechnen Sie die geeignete Oberfläche der Wärmeableitung Kupferfolie entsprechend dem Stromverbrauch des Geräts, der Umgebungstemperatur und der maximal zulässigen Verbindungstemperatur (Garantieprinzip tjâ­¤(0.5～0.8)tjmax).

4. Thermische Simulation (thermische Analyse)

Die thermische Analyse kann Designern helfen, die elektrische Leistung von Komponenten auf der Leiterplatte zu bestimmen und Designern zu helfen, festzustellen, ob Komponenten oder Leiterplatten aufgrund hoher Temperaturen ausbrennen. Einfache thermische Analysen berechnen nur die durchschnittliche Temperatur der Leiterplatte, während komplexe die Etablierung transienter Modelle für elektronische Geräte erfordern, die mehrere Leiterplatten und Tausende von Komponenten enthalten.

Egal, wie vorsichtig der Analyst beim Aufbau thermischer Modelle elektronischer Geräte ist, PCBs, und elektronische Komponenten, Die Genauigkeit der thermischen Analyse hängt letztlich von der Genauigkeit des Bauteilverbrauchs ab, der durch PCB Designer. In vielen Anwendungen, Gewicht und Körpergröße sind sehr wichtig. Ist der tatsächliche Stromverbrauch des Bauteils gering, der Sicherheitsfaktor der Konstruktion kann zu hoch sein, so dass die PCB Design verwendet den Stromverbrauchswert des Bauteils, der nicht dem tatsächlichen entspricht oder zu konservativ ist. Thermische Analyse, on the contrary (and more serious at the same time), ist, dass der thermische Sicherheitsfaktor zu niedrig ausgelegt ist, das ist, Die tatsächliche Betriebstemperatur des Bauteils ist höher als der Analyst prognostiziert. Solche Probleme erfordern in der Regel die Installation von Kühlkörpern oder Ventilatoren PCB zu lösen. Diese externen Zubehörteile erhöhen die Kosten und verlängern die Herstellungszeit. Das Hinzufügen eines Lüfters zum Design bringt auch eine Schicht der Instabilität zur Zuverlässigkeit. Daher, the PCB now mainly adopts active rather than passive cooling methods (such as natural convection, conduction, and Radiation heat dissipation) to make the components work in a lower temperature range.
Schlechtes thermisches Design erhöht schließlich die Kosten und verringert die Zuverlässigkeit. Dies kann in allen PCB Designs. Es erfordert einige Anstrengungen, den Stromverbrauch der Komponenten genau zu bestimmen, und dann führen PCB thermische Analyse, die zur Herstellung kompakter und funktionaler Produkte beitragen. Starkes Produkt. Genaue thermische Modelle und der Energieverbrauch der Komponenten sollten verwendet werden, um eine Verringerung zu vermeiden PCB Effizienz der Konstruktion.

4.1 Berechnung des Leistungsverbrauchs der Komponenten

Die genaue Bestimmung des Stromverbrauchs von Leiterplattenkomponenten ist ein iterativer Prozess. PCB-Designer müssen die Bauteiltemperatur kennen, um den Leistungsverlust zu bestimmen, und thermische Analysten müssen den Leistungsverlust kennen, um ihn in das thermische Modell einzugeben. Der Konstrukteur erratet zuerst die Arbeitsumgebungstemperatur eines Bauteils oder erhält einen geschätzten Wert aus der vorläufigen thermischen Analyse und gibt den Komponentenleistungsverbrauch in das detaillierte thermische Modell ein, um die Temperatur des "Anschlusses" (oder Hot Spot) der Leiterplatte und der zugehörigen Komponenten zu berechnen. Der zweite Schritt verwendet die neue Temperatur, um den Stromverbrauch des Bauteils neu zu berechnen, und der berechnete Stromverbrauch wird als Eingang für den nächsten thermischen Analyseprozess verwendet. Im Idealfall wird der Prozess fortgesetzt, bis sich der Wert nicht mehr ändert.

PCB-Designer stehen jedoch oft unter dem Druck, Aufgaben schnell zu erledigen, und sie haben nicht genug Zeit für die zeitraubende und repetitive Arbeit, um die elektrischen und thermischen Eigenschaften von Komponenten zu bestimmen. Eine vereinfachte Methode besteht darin, den Gesamtstromverbrauch der Leiterplatte als einheitlichen Wärmefluss zu schätzen, der auf die gesamte Leiterplattenoberfläche wirkt. Die thermische Analyse kann die durchschnittliche Umgebungstemperatur vorhersagen, so dass Konstrukteure den Energieverbrauch von Bauteilen berechnen und wissen können, ob andere Arbeiten durch eine weitere Neuberechnung der Bauteiltemperatur durchgeführt werden müssen.

Allgemeine Elektronikkomponentenhersteller geben Komponentenspezifikationen an, einschließlich der maximalen Temperatur für den normalen Betrieb. Die Leistung von Bauteilen wird in der Regel durch die Umgebungstemperatur oder Innentemperatur der Bauteile beeinflusst. Unterhaltungselektronikprodukte verwenden oft kunststoffgekapselte Komponenten mit einer maximalen Arbeitstemperatur von 85 Grad Celsius; Während militärische Produkte oft keramische Teile mit einer maximalen Arbeitstemperatur von 125 Grad Celsius verwenden, und die maximale Nenntemperatur ist normalerweise 105°C. PCB-Designer können die vom Gerätehersteller bereitgestellte "Temperatur/Leistung"-Kurve verwenden, um die Verlustleistung des Bauteils bei einer bestimmten Temperatur zu bestimmen.

Die genaueste Methode zur Berechnung der Bauteiltemperatur ist die Durchführung einer transienten thermischen Analyse, aber es ist sehr schwierig, den momentanen Stromverbrauch des Bauteils zu bestimmen.

Ein besserer Kompromiss besteht darin, Nenn- und Worst-Case-Analysen getrennt unter stationären Bedingungen durchzuführen..
PCB wird durch verschiedene Arten von Wärme beeinflusst. Typische thermische Randbedingungen, die angewendet werden können, sind:

Natürliche oder erzwungene Konvektion von der Vorder- und Rückseite;

Wärmestrahlung von der Vorder- und Rückseite;

Leitung vom Rand des PCB to the device shell;

Leitung zu anderen Leiterplatten durch starre oder flexible Steckverbinder;

Leitung von der Leiterplatte zur Halterung (geschraubt oder geklebt und fest);

The conduction of the heat sink between 2 Leiterplatten-Zwischenlagen.