Leiterplattentechnisch - Über eine Art PCB geeignet für hohe Temperaturbeständigkeit

Wie wir alle wissen, Designer drücken mehr Leistung aus Leiterplatten. Leistungsdichte steigt, und die daraus resultierenden hohen Temperaturen können zu schweren Schäden an Leitern und Dielektriken führen. Erhöhte Temperaturen – ob durch I2R-Verluste oder Umweltfaktoren – beeinflussen den thermischen Widerstund und die elektrische Impedanz, was zu instabiler Systemleistung führt, auch wenn es kein vollständiger Ausfall ist. Die difference in thermal expansion rates between conductors and dielectrics (a measure of the tendency of a material to expand when heated and contract when cooled) can cause mechanical stress, die zu Rissen und Verbindungsausfällen führen können, insbesondere, wenn die Leiterplatte periodisch erwärmt und gekühlt wird . Wenn die Temperatur hoch genug ist, das Dielektrikum kann seine strukturelle Integrität vollständig verlieren, die ersten Dominos in Schwierigkeiten bringen.

Wärme war schon immer ein Faktor, der Leiterplattenleistung. Designer sind es gewohnt, Kühlkörper in Leiterplatten einzubauen. Allerdings, Die heutigen Anforderungen an das Design mit hoher Leistungsdichte überwältigen oft herkömmliche PCB-Diermomanagement-Praktiken.

Die Abschwächung der Auswirkungen von hohen Temperaturen hat nicht nur einen tiefgreifenden Einfluss auf die Leistung und Zuverlässigkeit von Hochtemperatur-Leiterplatten, sondern auch auf die folgenden Faktoren:

Gewicht des Bauteils (oder des Systems)

Anwendungsgröße

Kosten

Leistungsbedarf

Eine Hochtemperatur-Leiterplatte ist normalerweise definiert als eine mit einer Tg (Glasübergangstemperatur) höher als 170°C.

Bei kontinuierlichen thermischen Belastungen bei Betriebstemperaturen unter Tg 25°C sollten Hochtemperatur-Leiterplatten einer einfachen Faustregel folgen.

Wenn sich Ihr Produkt daher im Temperaturbereich von 130°C oder höher befindet, wird empfohlen, Materialien mit hoher Tg zu verwenden.

In diesem Artikel werden wir einige Designmethoden und -techniken diskutieren, die in der Hochtemperatur-Leiterplattenherstellung und PCBA verwendet werden, um Designern zu helfen, mit Hochtemperatur-Anwendungen fertig zu werden.

PCB-Wärmeableitungstechnologie und Designüberlegungen

Die Wärme wird über einen oder mehrere Mechanismen (Strahlung, Konvektion, Leitung) abgeführt, und das Designteam muss diese drei Faktoren berücksichtigen, wenn es entscheidet, wie die Temperatur des Systems und der Komponenten gesteuert werden soll.

Leiterplatten aus schwerem Kupfer

Strahlung

Strahlung ist die Emission von Energie in Form von elektromagnetischen Wellen. Wir neigen dazu, es als etwas zu betrachten, das nur Licht emittiert, aber Tatsache ist, dass jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt Wärme ausstrahlt. Obwohl die üblicherweise abgeführte Wärme den geringsten Einfluss auf die Leistung der Leiterplatte hat, kann es manchmal der Strohhalm sein, der den Rücken des Kamels gebrochen hat. Um Wärme effektiv zu entfernen, sollten elektromagnetische Wellen einen relativ klaren Weg von der Quelle entfernt haben. Die reflektierende Oberfläche frustriert den Ausfluss von Photonen und gruppiert eine große Anzahl von Photonen an ihrer Quelle. Wenn es unglücklich ist, dass die reflektierenden Oberflächen zusammen einen parabolischen Spiegeleffekt bilden, konzentrieren sie die Strahlungsenergie vieler Lichtquellen und fokussieren sie auf einen unglücklichen Teil des Systems, was echte Probleme verursacht.

Konvektion

Konvektion überträgt Wärme an Flüssigkeiten (Luft, Wasser usw.). Konvektion ist "natürlich": die Flüssigkeit nimmt Wärme von der Wärmequelle auf, nimmt an Dichte ab, steigt von der Wärmequelle zum Heizkörper auf, kühlt ab, nimmt an Dichte zu und kehrt dann zur Wärmequelle zurück und wiederholt dann den Prozess. (Erinnern Sie sich an den "Regenzyklus" in der Grundschule) Andere Konvektion wird durch Ventilatoren oder Pumpen "erzwungen". Die wichtigsten Faktoren, die Konvektion beeinflussen, sind die Temperaturdifferenz zwischen der Quelle und dem Kühlmittel, die Schwierigkeit der Quelle, Wärme zu übertragen, die Schwierigkeit des Kühlmittels, Wärme aufzunehmen, die Durchflussrate des Kühlmittels und die Oberfläche für die Wärmeübertragung. Flüssigkeit nimmt Wärme leichter auf als Gas.

Leitfähigkeit

Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme durch direkten Kontakt zwischen Wärmequelle und Kühlkörper. In vielerlei Hinsicht ähnelt es elektrischem Strom: Die Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke ist ähnlich der Spannung, die pro Zeiteinheit übertragene Wärme ist ähnlich der Stromstärke, und die Leichtigkeit, mit der Wärme durch einen Wärmeleiter fließt, ist ähnlich wie elektrischer Strom. Leitfähigkeit. Tatsächlich stellen die Faktoren, die einen guten elektrischen Leiter ausmachen, oft auch einen guten Wärmeleiter dar, weil sie alle die Form der molekularen oder atomaren Bewegung darstellen. Zum Beispiel sind Kupfer und Aluminium ausgezeichnete Leiter von Wärme und Strom. Größere Leiterquerschnitte können die Leitfähigkeit von Wärme und Elektronen erhöhen. Genau wie elektrische Schaltkreise können lange und gewundene Strömungswege den Wirkungsgrad von Leitern stark reduzieren.

Allgemein, Der Hauptmechanismus zum Abtragen von Wärme von einer Leiterplatte besteht darin, Wärme zu einem geeigneten Kühlkörper zu leiten, and Konvektion leitet Wärme an die Umwelt. Die Wärme strahlt etwas Wärme direkt von der Quelle ab, but most of the heat is usually taken away through specially designed channels (called "hot aisles" or "hot aisles"). The PCB-Kühlkörper is relatively large and has a high emissivity surface (usually corrugated or finned to further increase the surface area), bonding with a conductive (such as copper or aluminum) backing, was ein arbeitsintensiver Prozess ist . The PCB-Kühlkörper kann auch mit dem Gehäuse des Geräts verbunden werden, um seine Oberfläche zu nutzen. Ventilatoren werden normalerweise verwendet, um Kühlluftstrom zu gewährleisten. Im Extremfall, Die Kühlluft selbst kann in einem Gas-Flüssig-Wärmetauscher gekühlt werden.