Technologie PCB - Conception de PCB et mesures techniques pour la conception thermique et l'analyse thermique

1. Conception thermique importante PCB

En plus du travail utile, la majeure partie de l'énergie électrique consommée par les appareils électroniques pendant leur fonctionnement est convertie en chaleur et évacuée. La chaleur produite par les appareils électroniques peut provoquer une augmentation rapide de la température interne. Si la dissipation de chaleur n'est pas opportune, l'équipement continuera à chauffer, l'équipement échouera en raison de la surchauffe et la fiabilité de l'électronique diminuera. SMT augmente la densité d'installation de l'électronique, réduit la zone de dissipation de chaleur efficace et l'augmentation de la température de l'équipement affecte sérieusement la fiabilité. L'étude de la conception thermodynamique est donc très importante.

2. Analyse du facteur d'augmentation de la température du circuit imprimé

La cause directe de l'augmentation de la température de la carte de circuit imprimé est due à la présence de dispositifs consommant de l'énergie du circuit, alors que les dispositifs électroniques ont tous différents degrés de consommation d'énergie et que l'intensité de chauffage varie avec l'ampleur de la consommation d'énergie.

Deux phénomènes de montée en température dans les circuits imprimés:

(1) élévation de température locale ou élévation de température de grande surface;

(2) augmentation de la température à court terme ou augmentation de la température à long terme. Dans l'analyse du travail thermique PCB prend du temps, généralement de plusieurs aspects de l'analyse.

2.1 consommation électrique

(1) Analyser la consommation d'énergie par unité de surface;

(2) Analyser la distribution de la consommation d'énergie sur le PCB.

2.2 structure du circuit imprimé

(1) les dimensions de la carte de circuit imprimé;

(2) Matériel de la carte de circuit imprimé.

2.3 méthode d'installation du circuit imprimé

(1) Méthode d'installation (p. ex. installation verticale, installation horizontale);

(2) Conditions d'étanchéité et distance du manchon.

2.4 Conception thermique PCB rayonnement

(1) Le coefficient de rayonnement de la surface de la carte de circuit imprimé;

2° la différence de température entre le circuit imprimé et la surface adjacente et sa température absolue;

2.5 conduction thermique

(1) installer un radiateur;

(2) conduction d'autres composants structurels installés.

2.6 convection thermique

(1) convection naturelle;

(2) convection par refroidissement forcé.

L'analyse des facteurs ci - dessus à partir d'un PCB est un moyen efficace de résoudre le problème de l'augmentation de la température des plaques d'impression. Dans un produit et un système, ces facteurs sont souvent interconnectés et dépendants. La plupart des facteurs doivent être analysés en fonction de la situation réelle, et les paramètres tels que l'élévation de température et la consommation d'énergie ne peuvent être calculés ou estimés plus précisément que pour une situation réelle spécifique.

3. Conception thermique PCB Principe

3.1 choix des matériaux

(1) en raison du courant de passage plus la température ambiante spécifiée, l'augmentation de température des conducteurs de la carte de circuit imprimé ne doit pas dépasser 125 ° C (les valeurs typiques généralement utilisées peuvent varier en fonction de la carte sélectionnée). Étant donné que les composants montés sur une carte de circuit imprimé émettent également de la chaleur, ce qui affecte la température de fonctionnement, ces facteurs doivent être pris en compte lors du choix des matériaux et de la conception de la carte de circuit imprimé. La température du point chaud ne doit pas dépasser 125°C. Choisissez une couche de cuivre plus épaisse si possible.

(2) dans des cas spéciaux, il est possible de choisir une base en aluminium, une base en céramique et d'autres plaques avec une résistance thermique inférieure.

(3) l'utilisation de la structure de la carte multicouche contribue à la conception thermique du PCB.

3.2 assurez - vous que les canaux de dissipation de chaleur sont ouverts

(1) utilisez pleinement la disposition des éléments, la peau de cuivre, la Fenestration et les trous de dissipation de chaleur pour établir un canal de faible résistance thermique raisonnablement efficace et assurer une sortie de chaleur en douceur vers le PCB.

(2) conception de l'installation des Vias de dissipation de chaleur certains Vias de dissipation de chaleur et trous borgnes peuvent augmenter efficacement la zone de dissipation de chaleur, réduire la résistance thermique et améliorer la densité de puissance de la carte de circuit imprimé. Par example, des perçages sont prévus sur les Plots du dispositif lccc. La soudure est remplie pendant la production du circuit pour améliorer la conductivité thermique. La chaleur générée pendant le fonctionnement du circuit peut être rapidement transférée par des trous traversants ou borgnes à la couche métallique de dissipation de chaleur ou aux plots de cuivre sur la face arrière pour la dissipation de chaleur. Dans certains cas particuliers, les cartes à circuits imprimés avec une couche dissipateur de chaleur sont spécialement conçues et utilisées. Les matériaux Dissipateurs de chaleur sont généralement le cuivre / molybdène et d'autres matériaux, tels que les plaques d'impression utilisées sur certaines alimentations de modules.

(3) Utilisation de matériaux conducteurs de chaleur afin de réduire la résistance thermique du processus de conduction thermique, des matériaux conducteurs de chaleur sont utilisés sur la surface de contact entre le dispositif à haute consommation d'énergie et le substrat pour améliorer l'efficacité de la conduction thermique.

(4) La méthode de processus pour certaines zones installées des deux côtés de l'équipement, il est facile de provoquer une température locale élevée. Pour améliorer les conditions de dissipation de chaleur, il est possible de mélanger de petites quantités de cuivre dans la pâte à souder, et les points de soudure sous le dispositif après le soudage à reflux auront une certaine hauteur. L'espace entre le dispositif et la plaque d'impression augmente et la dissipation de chaleur par convection augmente.

3.3 exigences relatives à la disposition des composants

(1) Analyse thermique logicielle du PCB, conception et contrôle de l'augmentation de température maximale interne;

(2) Il pourrait être envisagé de concevoir et d'installer spécialement des composants à haute chaleur et à haut rayonnement sur des circuits imprimés;

(3) la capacité thermique de la plaque est répartie uniformément. Veillez à ne pas concentrer les composants de haute puissance. Si cela est inévitable, placer la pièce courte en amont du flux d'air et assurer un débit d'air de refroidissement suffisant à travers la zone de concentration de la consommation de chaleur;

(4) rendre le chemin de transfert de chaleur aussi court que possible;

(5) rendre la Section de transfert de chaleur aussi grande que possible;

(6) la disposition des composants doit tenir compte des effets du rayonnement thermique sur les composants environnants. Les composants sensibles à la chaleur (y compris les dispositifs à semi - conducteurs) doivent être éloignés des sources de chaleur ou isolés;

(7) Les condensateurs (à milieu liquide) sont de préférence éloignés des sources de chaleur;

8° prendre soin de la direction de la ventilation forcée et de la ventilation naturelle;

9° les sous - plaques supplémentaires et les conduits d’aération de l’équipement sont dans le même sens que la ventilation;

10° faire en sorte que les gaz d’admission et d’échappement soient à une distance suffisante, dans la mesure du possible;

(11) Le dispositif de chauffage doit être placé, dans la mesure du possible, au - dessus du produit et, lorsque les conditions le permettent, dans le passage du flux d’air;

(12) les composants à forte chaleur ou à fort courant ne doivent pas être placés dans les coins et les bords périphériques de la plaque d’impression, doivent être installés sur le dissipateur de chaleur aussi longtemps que possible, à l’écart des autres composants et en veillant à ce que les canaux de dissipation de chaleur ne soient pas obstrués;

(13) (petits périphériques amplificateurs de signal) utiliser autant que possible des dispositifs qui ont peu de dérive de température;

(14) utilisez un châssis métallique ou un châssis pour dissiper la chaleur autant que possible.

3.4 Exigences de câblage

(1) plaque sélectionnée (conception raisonnable de la structure de la plaque imprimée);

(2) Les règles de câblage;

(3) Planifier la largeur minimale du canal en fonction de la densité de courant de l'équipement; Une attention particulière est accordée au câblage des canaux au niveau des connexions;

(4) Les lignes à courant élevé doivent être aussi superficielles que possible; Si les exigences ne peuvent être satisfaites, l'utilisation de barres omnibus peut être envisagée;

(5) réduire au minimum la résistance thermique de la surface de contact. Par conséquent, la zone de conduction thermique doit être élargie; La surface de contact doit être plane et lisse et peut être peinte si nécessaire. Enduit de graisse conductrice de la chaleur;

(6) tenir compte des mesures d'équilibre des contraintes au point de contrainte thermique et épaissir les lignes;

(7) la peau de cuivre dissipant la chaleur doit être fenêtrée en dissipant les contraintes thermiques et en utilisant un flux de résistance thermique pour ouvrir correctement les fenêtres;

(8) si possible, utiliser une grande surface de feuille de cuivre sur la surface;

(9) Les trous de montage au sol sur la plaque d'impression utilisent des entretoises plus grandes, utilisent pleinement les boulons de montage et la Feuille de cuivre sur la surface de la plaque d'impression pour dissiper la chaleur;

(10) placez autant de trous métallisés que possible, l'ouverture et la surface du disque doivent être aussi grandes que possible, en s'appuyant sur les trous pour aider à dissiper la chaleur;

11° les moyens complémentaires de dissipation de chaleur par l’équipement;

(12) dans les cas où une grande surface de feuille de cuivre peut être utilisée, la méthode d'ajout de radiateurs peut être exclue pour des raisons économiques;

(13) en fonction de la consommation électrique de l'appareil, de la température ambiante et de la température de jonction maximale admissible (principe de garantie tjâ (0,5 ½ 0,8) tjmax), on a calculé la surface appropriée de la Feuille de cuivre dissipant la chaleur en surface.

4. Simulation PCB de conception thermique (analyse thermique)

L'analyse thermique peut aider les concepteurs à déterminer les propriétés électriques des composants sur un PCB et les aider à déterminer si un composant ou un PCB peut brûler à cause de la chaleur. Une analyse thermique simple ne calcule que la température moyenne d'un PCB, tandis qu'une analyse thermique complexe nécessite l'établissement de modèles transitoires pour les appareils électroniques contenant plusieurs PCB et des milliers de composants.

Peu importe à quel point les analystes prennent soin de construire des modèles thermiques d'appareils électroniques, de PCB et de composants électroniques, la précision de l'analyse thermique dépend en fin de compte de la précision de la consommation d'énergie des composants fournie par le concepteur de PCB. Dans de nombreuses applications, le poids et les dimensions physiques sont très importants. Si la consommation d'énergie réelle d'un composant est faible, le facteur de sécurité de la conception peut être trop élevé, de sorte que les valeurs de consommation d'énergie du composant utilisées par la conception du PCB ne correspondent pas à la réalité ou sont trop conservatrices. Au contraire, l'analyse thermique (et en même temps plus sérieuse) est que le coefficient de sécurité thermique est conçu pour être trop faible, c'est - à - dire que la température de fonctionnement réelle du composant est supérieure à ce que l'analyste avait prédit. Ces problèmes nécessitent souvent l'installation d'un radiateur ou d'un ventilateur pour les résoudre. Refroidissement PCB. Ces accessoires externes augmentent les coûts et prolongent le temps de fabrication. L'ajout d'un ventilateur à la conception apporte également une couche d'instabilité à la fiabilité. Ainsi, les PCB utilisent maintenant principalement des méthodes de refroidissement actives plutôt que passives (telles que la convection naturelle, la conduction et la dissipation de chaleur par rayonnement), permettant aux composants de fonctionner dans une plage de température inférieure. Une conception thermique médiocre finit par augmenter les coûts et réduire la fiabilité. Cela peut se produire dans toutes les conceptions de PCB. Déterminer avec précision la consommation d'énergie d'un composant, puis effectuer une analyse thermique du PCB nécessite un certain effort, ce qui aidera à produire un produit compact et puissant. Un produit puissant. Un modèle thermique précis et la consommation d'énergie des composants doivent être utilisés pour éviter de réduire l'efficacité de la conception du PCB.

4.1 calcul de la consommation électrique des composants

Déterminer avec précision la consommation d'énergie d'un composant PCB est un processus itératif. Les concepteurs de PCB ont besoin de connaître la température du composant pour déterminer les pertes de puissance, tandis que les analystes thermiques ont besoin de connaître les pertes de puissance pour les intégrer dans le modèle thermique. Le concepteur devine d'abord la température ambiante de fonctionnement du composant ou obtient une estimation à partir d'une analyse thermique préliminaire et introduit la consommation électrique du composant dans un modèle thermique détaillé pour calculer la température de la "jonction" (ou point chaud) du PCB et du composant associé, La deuxième étape utilise la nouvelle température pour recalculer la consommation d'énergie du composant et la consommation d'énergie calculée est utilisée comme entrée pour le processus d'analyse thermique suivant. Dans l'idéal, le processus se poursuit jusqu'à ce que la valeur ne change plus.

Cependant, les concepteurs de PCB sont souvent soumis à la pression d'accomplir leurs tâches rapidement et ils n'ont pas assez de temps pour effectuer des travaux longs et répétitifs pour déterminer les performances électriques et thermiques des composants. Une approche simplifiée consiste à estimer la consommation totale d'énergie d'un PCB en tant que flux de chaleur uniforme agissant sur toute la surface du PCB. L'analyse thermique peut prédire la température ambiante moyenne, permettant aux concepteurs de calculer la consommation d'énergie d'un composant et de savoir si d'autres travaux sont nécessaires en recalculant davantage la température du composant.

Les fabricants de composants électroniques généraux fournissent des spécifications de composants, y compris la température maximale pour un fonctionnement normal. Les performances d'un composant sont généralement influencées par la température ambiante ou la température interne du composant. L'électronique grand public utilise généralement des composants encapsulés dans du plastique avec une température de fonctionnement maximale de 85 degrés Celsius; Alors que les produits militaires utilisent généralement des pièces en céramique avec une température de fonctionnement maximale de 125 ° C, la température maximale nominale est généralement de 105 ° c. Les concepteurs de PCB peuvent utiliser la courbe « température / puissance» fournie par le fabricant de l'appareil pour déterminer la consommation d'énergie d'un composant à une certaine température.

La façon la plus précise de calculer la température d'un composant est d'effectuer une analyse thermique transitoire, mais il est difficile de déterminer la consommation électrique instantanée du composant.

Un meilleur compromis serait d'effectuer séparément l'évaluation et l'analyse du pire cas à l'état stable. Les PCB sont soumis à différents types de chaleur. Les conditions limites thermiques typiques qui peuvent être appliquées comprennent:

Convection naturelle ou forcée à partir des surfaces avant et arrière;

Rayonnement thermique provenant des faces avant et arrière;

Conduction du bord du PCB vers le boîtier de l'appareil;

Conduction vers d'autres circuits imprimés par des connecteurs rigides ou flexibles;

Conduction du PCB au support (boulonnage ou fixation collée);

Conduction du radiateur entre 2 intercalaires PCB.