Leiterplattentechnisch - Über die thermische Simulation von Leiterplatten

Die thermische Analyse unterstützt Konstrukteure bei der Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Bauteilen auf einer Leiterplatte und bei der Bestimmung, ob Komponenten oder Leiterplatte wird durch hohe Temperaturen ausbrennen. Einfache thermische Analyse berechnet nur die Durchschnittstemperatur einer Leiterplatte, Während komplexe transiente Modelle für elektronische Geräte mit mehreren PCBS und Tausenden von Komponenten gebaut werden.

Unabhängig davon, wie sorgfältig ein Analyst die thermische Leistung von Elektronik, Leiterplatten und elektronischen Komponenten modelliert, hängt die Genauigkeit der thermischen Analyse letztlich von der Genauigkeit des Bauteilstromverbrauchs ab, der vom Leiterplattendesigner bereitgestellt wird. Gewicht und physikalische Größe sind in vielen Anwendungen sehr wichtig, wenn die Komponenten des tatsächlichen Stromverbrauchs klein sind, könnte dies zu einem hohen Sicherheitskoeffizienten führen, der zum Design der Leiterplatte mit der Realität beigetragen hat, oder zu konservativen Elementstromverbrauchswert, da nach thermischer Analyse im Gegensatz dazu auch ernsthafter thermischer Entwurfssicherheitskoeffizient zu niedrig ist. Insbesondere die Bauteiltemperatur als die tatsächliche Laufzeit Analysten höher vorhersagen, werden solche Probleme in der Regel durch den Einbau von Kühlgeräten oder Lüftern zur Kühlung der Leiterplatte gelöst. Diese Add-ons erhöhen Kosten und Fertigungszeit, und das Hinzufügen eines Lüfters zum Design schafft eine Schicht der Zuverlässigkeit Instabilität, so dass PCBS jetzt aktive statt passive Kühlung (wie natürliche Konvektion, Leitführung und Strahlungskühlung) verwenden, um Komponenten in niedrigeren Temperaturbereichen arbeiten zu lassen.

Schlechtes thermisches Design führt letztlich zu höheren Kosten und verringerter Zuverlässigkeit, was bei allen Leiterplattendesigns passieren kann. Etwas Bemühen, den Energieverbrauch der Komponenten genau zu bestimmen und dann PCB-thermische Analysen durchzuführen, kann helfen, kleine, funktionale Produkte herzustellen. Genaue thermische Modelle und der Energieverbrauch der Komponenten sollten verwendet werden, um eine Verringerung der PCB-Design-Effizienz zu vermeiden.

1. Berechnung der Bauteilleistung

Die genaue Bestimmung des Stromverbrauchs einer Leiterplattenkomponente ist ein iterativer Prozess. PCB-Designer müssen die Bauteiltemperatur kennen, um die verlorene Leistung zu bestimmen, und thermische Analysten müssen den Leistungsverlust kennen, um in das thermische Modell einzugeben. Designer erraten zuerst eine Arbeitsumgebungstemperatur oder erhalten aus den anfänglichen thermischen Analyseschätzungen, und der Elementleistungseingang zur Verfeinerung des Wärmemodells, Berechnung der Leiterplatte und der zugehörigen Komponenten "Knoten" (oder heiß), die Temperatur des zweiten Schrittes besteht darin, die neue Temperatur zum Stromverbrauch des Rechenelements zu verwenden. und den Leistungseintrag für den nächsten Schritt der thermischen Analyse erneut berechnen. In einer idealen Welt setzt sich der Prozess fort, bis sich sein Wert nicht mehr ändert.

PCB-Designer stehen jedoch oft unter dem Druck, Aufgaben schnell zu erledigen und haben nicht genug Zeit, um zeitaufwendige und sich wiederholende elektrische und thermische Leistungsbestimmungen von Komponenten durchzuführen. Ein vereinfachter Ansatz 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, ob zusätzliche Arbeiten durch weitere Doppelzählung der Bauteiltemperaturen durchgeführt werden müssen.

Generell geben Hersteller elektronischer Komponenten Spezifikationen für die Komponenten, einschließlich der maximalen Betriebstemperatur. Die Komponentenleistung wird normalerweise durch die Umgebungstemperatur oder Innentemperatur des Bauteils beeinflusst, Verbraucherelektronikprodukte verwenden oft Kunststoffkomponenten, seine maximale Betriebstemperatur beträgt 85 Grad Celsius; Militärprodukte verwenden oft Keramikkomponenten, die mit einer maximalen Temperatur von 125° C arbeiten und typischerweise mit 105° C bewertet werden. PCB-Designer können die vom Gerätehersteller bereitgestellte Temperatur-/Leistungskurve verwenden, um den Stromverbrauch des Bauteils bei einer bestimmten Temperatur zu bestimmen.

Die transiente thermische Analyse ist die genaueste Methode, um die Temperatur des Elements zu berechnen, aber es ist sehr schwierig, den momentanen Stromverbrauch des Elements zu bestimmen.

Ein besserer Kompromiss besteht darin, die Rating- und Worst-Case-Bedingungen getrennt unter stationären Bedingungen zu analysieren.

PCBS werden von verschiedenen Arten von Wärme beeinflusst, und typische thermische Randbedingungen, die angewendet werden können, umfassen:

Natürliche oder erzwungene Konvektion von vorderen und hinteren Oberflächen;

Wärmestrahlung von Vorder- und Rückseite;

Leitung von der Leiterplattenkante zum Gerätegehäuse;

Leitung zu anderen Leiterplatten durch starre oder flexible Steckverbinder;

Leitung von der Leiterplatte zum Träger (geschraubt oder geklebt);

Leitung von Heizkörpern zwischen zwei Leiterplatten Zwischenschichten.

Thermische Simulationswerkzeuge sind in vielen Formen verfügbar. Zu den grundlegenden thermischen Modellierungs- und Analysewerkzeugen gehören universelle Werkzeuge zur Analyse beliebiger Strukturen, CFD-Werkzeuge (Computational Fluid Dynamics) für die Analyse von Systemströmen/Wärmeübertragungen und PCB-Anwendungen für die detaillierte PCB- und Bauteilmodellierung.

2. Grundlegendes Verfahren

Beschleunigen Sie das thermische PCB-Design basierend auf reifen Erfahrungen, die zur Verfügung gestellt werden, ohne die elektrischen Leistungsindikatoren des Systems zu beeinflussen und zur Verbesserung beizutragen.

Auf der Grundlage von System- und Wärmeanalysevorhersagen und thermischem Design auf Geräteebene können die Ergebnisse des thermischen Designs durch thermische Simulation auf Leiterplattenebene vorhergesagt werden, um Konstruktionsfehler zu finden und Systemlösungen oder Lösungen auf Geräteebene für Modifikationen bereitzustellen.

Die Wirkung des thermischen Entwurfs wird durch thermische Leistungsmessung getestet und die Anwendbarkeit und Wirksamkeit des Schemas bewertet.

Das thermische Simulationsmodell wird durch den kontinuierlichen Übungsprozess des Pre-Schätzung-Design-Maß-Feedback-Zyklus modifiziert und akkumuliert, um die thermische Simulationsgeschwindigkeit zu beschleunigen und die thermische Simulationsgenauigkeit zu verbessern. Ergänzen Sie PCB thermische Design Erfahrung.

3. Wärmesimulation auf Leiterplattenebene

Die thermische Simulationssoftware auf Platinenebene kann die thermische Strahlung, Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Flüssigkeitstemperatur, Flüssigkeitsdruck, Flüssigkeitsgeschwindigkeit und Bewegungsvektor der Leiterplatte im 3D-Strukturmodell simulieren und kann auch erzwungene Wärmeableitung, Vakuumzustand oder natürliche Wärmeableitung simulieren. Derzeit sind Flotherm, Betasoft und so weiter die typische Software für die thermische Plattenanalyse.