Tecnología de PCB - Diseño de PCB y medidas técnicas de diseño térmico y análisis térmico

1.. Importancia Placa de circuito impreso de diseño térmico

Además de un trabajo útil, La mayor parte de la energía eléctrica consumida por los equipos electrónicos en funcionamiento se convierte en calor y se descarga. El calor generado por los dispositivos electrónicos conduce a un rápido aumento de la temperatura interna. Si el calor no se disipa a tiempo, El Equipo seguirá calentándose., El equipo fallará debido al sobrecalentamiento, Y la fiabilidad del equipo electrónico disminuirá.
SMT aumenta la densidad de instalación de los dispositivos electrónicos, Reducir el área efectiva de disipación de calor, El aumento de temperatura del equipo afecta gravemente a la fiabilidad. Por consiguiente,, El estudio del diseño térmico es muy importante.

2. Análisis de los factores de aumento de temperatura de la placa de circuito impreso

El aumento de la temperatura de la placa de circuito impreso se debe directamente a la existencia de dispositivos de consumo de energía, y los dispositivos electrónicos tienen diferentes grados de consumo de energía, y la intensidad de calentamiento varía con el consumo de energía.

Dos fenómenos de aumento de temperatura en una placa de circuito impreso:

Aumento de temperatura local o de gran superficie;

(2) Short-term temperature rise or long-term temperature rise.
Tiempo de análisis Potencia térmica de Placa de circuito impreso Consumo, En general, se analizan los siguientes aspectos:.

2.1 consumo de energía

Analizar el consumo de energía por unidad de área;

(2) Analyze Este distribution of power consumption on the Placa de circuito impreso.

2.2 estructura de la placa de circuito impreso

El tamaño de la placa de circuito impreso;

Material de placa de circuito impreso.

2.3 método de instalación de la placa de circuito impreso

Modo de instalación (por ejemplo, instalación vertical, instalación horizontal);

Condiciones de sellado y distancia de la carcasa.

2.4 radiación térmica

Coeficiente de radiación en la superficie de la placa de circuito impreso;

Diferencia de temperatura y temperatura absoluta entre la placa de circuito impreso y la superficie adyacente;

2.5 conducción de calor

Instalar radiador;

Conducción de otras estructuras de montaje.

2.6 convección térmica

Convección natural;

Refrigeración forzada y convección.

El análisis de los factores mencionados anteriormente es un método eficaz para resolver el aumento de temperatura de la placa de circuito impreso. En los productos y sistemas, estos factores suelen estar interrelacionados y dependientes. La mayoría de los factores deben analizarse a la luz de la situación real, y los parámetros, como el aumento de temperatura y el consumo de energía, sólo pueden calcularse o estimarse con mayor precisión en función de la situación real.

3. Principios de diseño térmico

3.1 selección de materiales

El aumento de temperatura del conductor de la placa de circuito impreso no debe exceder de 125℃ debido a la corriente de paso más la temperatura ambiente especificada (los valores típicos comúnmente utilizados pueden variar dependiendo de la placa seleccionada). Dado que los componentes instalados en la placa de circuito impreso también emiten calor, lo que afecta a la temperatura de funcionamiento, estos factores deben tenerse en cuenta al seleccionar el material y diseñar la placa de circuito impreso. La temperatura del punto caliente no debe exceder de 125℃. Elija el recubrimiento de cobre más grueso posible.

En circunstancias especiales, se pueden seleccionar la base de aluminio, la base de cerámica y otras placas con baja resistencia térmica.

El uso de la estructura de Placa de circuito impreso multicapa es útil para el diseño térmico de Placa de circuito impreso.

3.2 garantizar un canal de refrigeración sin obstáculos

Hacer pleno uso de la disposición de los componentes, la piel de cobre, la apertura de la ventana y el agujero de disipación de calor, y establecer un canal de baja resistencia térmica razonable y eficaz para asegurar la salida de calor a Placa de circuito impreso sin problemas.

(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, Y aumentar la densidad de potencia de la placa de circuito. Por ejemplo:, A través del agujero en la almohadilla del dispositivo lccc. Relleno de soldadura en la producción de circuitos para aumentar la conductividad térmica. El calor generado durante el funcionamiento del circuito puede transmitirse rápidamente a través de agujeros o agujeros ciegos a la capa de disipación de calor metálica o a la almohadilla de soldadura de cobre en la parte posterior para la disipación de calor.. En determinadas circunstancias, Especialmente diseñado y utilizado con placa de circuito con capa de disipación de calor. El material disipador de calor es generalmente cobre/Molibdeno y otros materiales, Por ejemplo, una placa de circuito impreso utilizada en la fuente de alimentación de algunos módulos.

(3) Use of thermally conductive materials
In order to reduce the thermal resistance of the heat Conducción process, Mejora de la eficiencia térmica mediante el uso de materiales conductores de calor en la superficie de contacto entre el dispositivo de alta potencia y el sustrato.

(4) Process method
For some areas where the device is mounted on both sides, Fácil de causar altas temperaturas locales. Para mejorar las condiciones de disipación de calor, Una pequeña cantidad de cobre se puede mezclar en la pasta de soldadura, Después de reflow, la Junta de soldadura por debajo del dispositivo tendrá cierta altura. Aumento de la brecha entre el dispositivo y la placa de circuito impreso, Aumento de la disipación de calor por convección.

3.3 requisitos de disposición de los componentes

Realizar análisis térmico de software para Placa de circuito impreso, diseñar y controlar el aumento máximo de temperatura interna;

Se puede considerar la posibilidad de diseñar e instalar componentes con alto calor y radiación en placas de circuitos impresos;

La capacidad de calor de la placa se distribuye uniformemente. Tenga cuidado de no concentrar los componentes de alta potencia. Si es inevitable, coloque el componente corto antes del flujo de aire y asegúrese de que el aire de refrigeración adecuado fluya a través de la zona de concentración de calor;

Hacer la trayectoria de transferencia de calor lo más corta posible;

Hacer la Sección de transferencia de calor lo más grande posible;

La disposición de los componentes tendrá en cuenta la influencia de la radiación térmica en los componentes circundantes. Los componentes y componentes sensibles al calor (incluidos los dispositivos semiconductores) deben mantenerse alejados de la fuente de calor o del aislamiento;

(medio líquido) preferiblemente para mantener el condensador alejado de la fuente de calor;

Prestar atención a la dirección de la ventilación forzada y la ventilación natural;

El tablero Auxiliar y el conducto de aire del equipo tienen la misma dirección de ventilación;

Mantener una distancia suficiente entre la entrada de aire y el gas de escape en la medida de lo posible;

El dispositivo de calefacción se colocará sobre el producto en la medida de lo posible y, cuando las condiciones lo permitan, en el paso de aire;

Los componentes de alta temperatura o alta corriente no se colocarán en las esquinas y el perímetro de la placa de circuito impreso, se instalarán en el radiador lo más lejos posible de otros componentes y se asegurarán de que el canal de disipación de calor esté despejado;

(periféricos de amplificador de señal pequeña) utilizar equipos con poca deriva de temperatura en la medida de lo posible;

Siempre que sea posible, utilice chasis o chasis metálicos para disipar el calor.

3.4 Requisitos de cableado

Selección de la placa de circuito (diseño razonable de la estructura de la placa de circuito impreso);

Reglas de cableado;

Planificar la anchura mínima del canal de acuerdo con la densidad de corriente del dispositivo; Preste especial atención al cableado de canales en las conexiones;

Las líneas de alta corriente deben ser lo más superficiales posible; Si no se cumplen los requisitos, se puede considerar el uso de autobuses;

(5) Minimize the thermal resistance of the contact surface. Por consiguiente,, La zona de conducción de calor debe ampliarse; La superficie de Contacto debe ser plana y Lisa., Si es necesario, se puede pintar.
Lubricado con grasa caliente;

Considerar las medidas de equilibrio de esfuerzo de los puntos de estrés térmico y engrosar la línea;

La piel de cobre radiante debe adoptar el método de la ventana de esfuerzo de disipación de calor, y la ventana debe abrirse adecuadamente mediante el uso de la cubierta de soldadura de resistencia a la disipación de calor;

Si es posible, utilizar láminas de cobre de gran superficie;

El agujero de instalación de puesta a tierra de la placa de circuito impreso utiliza la Junta más grande, utiliza plenamente el perno de instalación de la superficie de la placa de circuito impreso y la disipación de calor de la lámina de cobre;

Coloque tantos agujeros metalizados como sea posible, el diámetro del agujero y la superficie del disco deben ser lo más grandes posible, dependiendo de los agujeros para ayudar a disipar el calor;

Dispositivos complementarios para la disipación de calor de los dispositivos;

En los casos en que pueda utilizarse una lámina de cobre de gran superficie, no podrá utilizarse ningún método de adición de radiadores por razones económicas;

De acuerdo con el consumo de energía del equipo, la temperatura ambiente y la temperatura máxima de unión permitida (principio de garantía TJ â).

4. Simulación térmica (análisis térmico)

El análisis térmico puede ayudar a los diseñadores a determinar el rendimiento eléctrico de los componentes en los Placa de circuito impreso y ayudar a los diseñadores a determinar si los componentes o Placa de circuito impreso pueden Quemarse a altas temperaturas. El análisis térmico simple sólo calcula la temperatura media de los Placa de circuito impreso, mientras que el análisis térmico complejo necesita establecer el modelo transitorio de los equipos electrónicos que contienen muchos Placa de circuito impreso y miles de componentes.

No importa lo cuidadosos que sean los analistas en la construcción de modelos térmicos de dispositivos electrónicos, Placa de circuito impresos, Y componentes electrónicos, La precisión del análisis térmico depende en última instancia de la precisión del consumo de energía del componente Placa de circuito impreso Diseñador. En muchas aplicaciones, El peso y el tamaño son muy importantes. Si el consumo real de energía del componente es pequeño, El factor de Seguridad diseñado puede ser demasiado alto, Así que... Placa de circuito impreso El valor de consumo de energía del componente utilizado en el diseño no coincide con el valor real o es demasiado conservador. Análisis térmico, on the contrary (and more serious at the same time), Si el factor de Seguridad térmica está diseñado demasiado bajo, Eso es, Temperatura de funcionamiento real del componente superior a la prevista por el analista. Estos problemas suelen requerir la instalación de un radiador o ventilador para enfriar Placa de circuito impreso Resolver. Estos accesorios externos aumentan el costo y prolongan el tiempo de fabricación. A ñadir un ventilador en el diseño también traerá una capa de inestabilidad a la fiabilidad. Por consiguiente,, the Placa de circuito impreso 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.
Un diseño térmico deficiente en última instancia aumenta el costo y reduce la fiabilidad. Todo esto puede suceder. Placa de circuito impreso Diseño. Se necesitan algunos esfuerzos para determinar con precisión el consumo de energía de los componentes, A continuación, proceder Placa de circuito impreso Análisis térmico, Esto ayudará a producir productos compactos y funcionales. Producto fuerte. Debe utilizarse un modelo térmico preciso y un consumo de energía de los componentes para evitar una reducción Placa de circuito impreso Eficiencia del diseño.

4.1 cálculo del consumo de energía de los componentes

Determinar con precisión el consumo de energía de los componentes de Placa de circuito impreso es un proceso iterativo. Los diseñadores de Placa de circuito impreso necesitan conocer la temperatura del componente para determinar la pérdida de energía, y los analistas térmicos necesitan saber la pérdida de energía para introducirla en el modelo térmico. En primer lugar, el diseñador adivina la temperatura ambiente de trabajo del componente o obtiene la estimación del análisis térmico preliminar, y luego introduce el consumo de energía del componente en el modelo térmico detallado para calcular la temperatura del punto de conexión (o punto caliente) del Placa de circuito impreso y el componente relacionado. El segundo paso utiliza la nueva temperatura para recalcular el consumo de energía del componente, que se utiliza como entrada para el siguiente proceso de análisis térmico. Idealmente, el proceso continuará hasta que el valor ya no cambie.

Sin embargo, los diseñadores de Placa de circuito impreso a menudo se enfrentan a la presión de realizar tareas rápidamente, y no tienen tiempo suficiente para realizar tareas que requieren mucho tiempo y repeticiones para determinar las características eléctricas y térmicas de los componentes. Un método simplificado es estimar el consumo total de energía del Placa de circuito impreso como un flujo de calor uniforme que actúa sobre toda la superficie del Placa de circuito impreso. El análisis térmico puede predecir la temperatura ambiente media, lo que permite al diseñador calcular el consumo de energía de los componentes y volver a calcular la temperatura de los componentes para ver si es necesario hacer otro trabajo.

Los fabricantes generales de componentes electrónicos proporcionan especificaciones de los componentes, incluida la temperatura máxima de funcionamiento normal. El rendimiento de los componentes suele verse afectado por la temperatura ambiente o la temperatura interna de los componentes. Los productos electrónicos de consumo suelen utilizar envases de plástico con una temperatura máxima de funcionamiento de 85 grados Celsius; Los productos militares suelen utilizar componentes cerámicos con una temperatura máxima de funcionamiento de 125 grados Celsius y una temperatura nominal máxima de 105 grados Celsius. El diseñador de Placa de circuito impreso puede utilizar la curva "temperatura / potencia" proporcionada por el fabricante del dispositivo para determinar el consumo de energía del componente a una temperatura específica.

El método más preciso para calcular la temperatura del componente es el análisis térmico transitorio, pero es difícil determinar el consumo instantáneo de energía del componente.

Un mejor compromiso es realizar un análisis nominal y un análisis del peor caso en estado estacionario, respectivamente..
Placa de circuito impreso Afectados por diversos tipos de calor. Las condiciones típicas de contorno térmico aplicables incluyen:

Convección natural o forzada en superficies delanteras y traseras;

Radiación térmica de la superficie delantera y trasera;

Conducción desde el borde Placa de circuito impreso to the device shell;

Conducción a otros Placa de circuito impreso a través de conectores rígidos o flexibles;

Conducción del Placa de circuito impreso al soporte (atornillado o pegado);

The conduction of the heat sink between 2 Placa de circuito impreso sandwich.