PCB Tecnico - Progettazione PCB e le misure tecniche di progettazione termica e analisi termica

1. L'importanza del pcb di progettazione termica

Oltre al lavoro utile, la maggior parte dell'energia elettrica consumata dalle apparecchiature elettroniche durante il funzionamento viene convertita in calore ed emessa. Il calore generato dalle apparecchiature elettroniche fa aumentare rapidamente la temperatura interna. Se il calore non viene dissipato nel tempo, l'apparecchiatura continuerà a riscaldarsi, il dispositivo fallirà a causa del surriscaldamento e l'affidabilità dell'apparecchiatura elettronica diminuirà. SMT aumenta la densità di installazione delle apparecchiature elettroniche, riduce l'area efficace di dissipazione del calore e l'aumento della temperatura dell'apparecchiatura influisce seriamente sull'affidabilità. Pertanto, la ricerca sulla progettazione termica è molto importante.

2. Analisi dei fattori di aumento della temperatura dei circuiti stampati

La causa diretta dell'aumento della temperatura del circuito stampato è dovuta all'esistenza di dispositivi di consumo energetico del circuito e i dispositivi elettronici hanno tutti un consumo energetico a vari gradi e l'intensità di riscaldamento varia con la dimensione del consumo energetico.

Due fenomeni di aumento della temperatura nei circuiti stampati:

(1) aumento della temperatura locale o aumento della temperatura della grande area;

(2) Aumento della temperatura a breve termine o aumento della temperatura a lungo termine. Quando si analizza il consumo di energia termica PCB, viene generalmente analizzato dai seguenti aspetti.

2.1 Consumo di energia elettrica

(1) Analizzare il consumo energetico per unità di area;

(2) Analizzare la distribuzione del consumo energetico sul PCB.

2.2 La struttura del circuito stampato

(1) la dimensione del circuito stampato;

(2) Il materiale del circuito stampato.

2.3 Il metodo di installazione del circuito stampato

(1) metodo di installazione (come installazione verticale, installazione orizzontale);

(2) Lo stato di tenuta e la distanza dall'involucro.

2.4 Radiazione termica PCB

(1) il coefficiente di radiazione sulla superficie del circuito stampato;

(2) la differenza di temperatura tra il circuito stampato e le superfici adiacenti e la loro temperatura assoluta;

2.5 Conduzione termica

(1) Installare il radiatore;

(2) Conduzione di altre parti strutturali dell'installazione.

2.6 Convezione termica

(1) convezione naturale;

(2) Convezione forzata di raffreddamento.

L'analisi dei fattori di cui sopra dal PCB è un modo efficace per risolvere l'aumento di temperatura della scheda stampata. Questi fattori sono spesso correlati e dipendenti l'uno dall'altro in un prodotto e sistema. La maggior parte dei fattori dovrebbe essere analizzata in base alla situazione reale, e solo per uno specifico La situazione reale può calcolare o stimare i parametri come l'aumento della temperatura e il consumo energetico più correttamente.

3. principi di progettazione termica pcb

3.1 Selezione dei materiali

(1) L'aumento della temperatura dei conduttori del circuito stampato dovuto alla corrente di passaggio più la temperatura ambiente specificata non deve superare 125 ° C (il valore tipico comunemente usato può essere diverso a seconda della scheda selezionata). Poiché i componenti installati sul circuito stampato emettono anche un po 'di calore, che influisce sulla temperatura di funzionamento, questi fattori dovrebbero essere presi in considerazione nella selezione dei materiali e nella progettazione del circuito stampato. La temperatura del punto caldo non deve superare 125°C. Scegli il più spesso rivestimento di rame il più possibile.

(2) In casi speciali, a base di alluminio, ceramica e altre piastre con bassa resistenza termica possono essere selezionate.

(3) L'uso della struttura multistrato del circuito stampato aiuta la progettazione termica del PCB.

3.2 Assicurarsi che il canale di dissipazione del calore sia sbloccato

(1) Fare pieno uso della disposizione dei componenti, della pelle di rame, dell'apertura della finestra e dei fori di dissipazione del calore per stabilire un canale ragionevole ed efficace a bassa resistenza termica per garantire che il calore sia esportato senza intoppi al PCB.

(2) Impostazione della dissipazione del calore attraverso i fori Progettare una certa dissipazione del calore attraverso i fori e i fori ciechi può efficacemente aumentare l'area di dissipazione del calore e ridurre la resistenza termica e migliorare la densità di potenza del circuito stampato. Ad esempio, un foro passante è impostato sul pad del dispositivo LCCC. Il saldatore lo riempie nel processo di produzione del circuito per aumentare la conducibilità termica. Il calore generato durante il funzionamento del circuito può essere rapidamente trasferito allo strato di dissipazione del calore metallico o al pad di rame sul retro attraverso i fori passanti o fori ciechi da dissipare. In alcuni casi specifici, un circuito stampato con uno strato di dissipazione del calore è appositamente progettato e utilizzato. Il materiale di dissipazione del calore è generalmente rame/molibdeno e altri materiali, come schede stampate utilizzate su alcuni alimentatori del modulo.

(3) Uso di materiali termicamente conduttiviAl fine di ridurre la resistenza termica del processo di conduzione del calore, un materiale termicamente conduttivo è utilizzato sulla superficie di contatto tra il dispositivo ad alto consumo energetico e il substrato per migliorare l'efficienza di conduzione del calore.

(4) Metodo di processo Per alcune aree in cui il dispositivo è montato su entrambi i lati, è facile causare temperatura elevata locale. Al fine di migliorare le condizioni di dissipazione del calore, una piccola quantità di piccolo rame può essere mescolata nella pasta di saldatura e i giunti di saldatura sotto il dispositivo avranno una certa altezza dopo la saldatura a riflusso. Lo spazio tra il dispositivo e la scheda stampata è aumentato e la dissipazione del calore a convezione è aumentata.

3.3 Requisiti per la disposizione dei componenti

(1) Eseguire l'analisi termica del software sul PCB e progettare e controllare l'aumento massimo interno della temperatura;

(2) può essere considerato di progettare e installare appositamente componenti con calore e radiazioni elevate su un circuito stampato;

(3) La capacità termica del bordo è uniformemente distribuita. Fare attenzione a non posizionare componenti ad alta potenza in modo concentrato. Se è inevitabile, posizionare i componenti corti a monte del flusso d'aria e garantire un sufficiente flusso d'aria di raffreddamento attraverso l'area concentrata a consumo di calore;

(4) rendere il percorso di trasferimento del calore il più breve possibile;

(5) Rendere la sezione trasversale del trasferimento di calore il più grande possibile;

(6) La disposizione dei componenti deve tener conto dell'influenza della radiazione termica sulle parti circostanti. le parti e i componenti sensibili al calore (compresi i dispositivi a semiconduttore) devono essere tenuti lontani da fonti di calore o isolati;

(7) (medium liquido) è meglio tenere il condensatore lontano dalla fonte di calore;

(8) Prestare attenzione alla direzione della ventilazione forzata e della ventilazione naturale;

(9) I pannelli aggiuntivi e i condotti dell'aria del dispositivo sono nella stessa direzione della ventilazione;

(10) Per quanto possibile, far sì che l'aspirazione e lo scarico abbiano una distanza sufficiente;

(11) il dispositivo di riscaldamento dovrebbe essere posizionato il più possibile sopra il prodotto e dovrebbe essere posizionato nel canale di flusso d'aria quando le condizioni lo consentono;

(12) i componenti ad alto calore o ad alta corrente non dovrebbero essere posizionati sugli angoli e sui bordi periferici del cartone stampato e dovrebbero essere installati sul radiatore il più a lungo possibile, lontano da altri componenti e garantire che il canale di dissipazione del calore sia libero;

(13) (Piccoli dispositivi periferici dell'amplificatore di segnale) Cercare di utilizzare dispositivi con piccola deriva della temperatura;

(14) Utilizzare il telaio metallico o telaio il più possibile per dissipare il calore.

3.4 Requisiti per il cablaggio

(1) Selezione del bordo (progettazione ragionevole della struttura del bordo stampato);

(2) regole di cablaggio;

(3) pianificare la larghezza minima del canale in base alla densità corrente del dispositivo; prestare particolare attenzione al cablaggio del canale alla giunzione;

(4) le linee ad alta corrente dovrebbero essere il più superficiale possibile; se i requisiti non possono essere soddisfatti, si può prendere in considerazione l'uso di barre per autobus;

(5) Minimizzare la resistenza termica della superficie di contatto. Per questo motivo, l'area di conduzione del calore dovrebbe essere ingrandita; la superficie di contatto deve essere piana e liscia e può essere verniciata se necessario. ricoperti di grasso termico;

(6) prendere in considerazione le misure di bilanciamento dello stress per i punti di stress termico e ispessire le linee;

(7) la pelle di rame dissipante del calore deve adottare il metodo della finestra dello stress di dissipazione del calore e utilizzare la maschera di saldatura dissipante del calore per aprire correttamente la finestra;

(8) Se possibile, utilizzare un foglio di rame di grande area sulla superficie;

(9) Utilizzare cuscinetti più grandi per i fori di montaggio a terra sul bordo stampato per fare pieno uso dei bulloni di montaggio e della lamina di rame sulla superficie del bordo stampato per dissipazione del calore;

(10) Posizionare il maggior numero possibile di vias metallizzati e l'apertura e la superficie del disco dovrebbero essere il più grande possibile, facendo affidamento su vias per aiutare la dissipazione del calore;

(11) mezzi complementari per la dissipazione del calore del dispositivo;

(12) Nel caso in cui sia possibile utilizzare una grande superficie di lamina di rame, il metodo di aggiunta di un dissipatore di calore non può essere utilizzato per considerazioni economiche;

(13) Calcolare l'area appropriata della lamina di rame di dissipazione del calore superficiale in base al consumo energetico del dispositivo, alla temperatura ambiente e alla temperatura massima ammissibile di giunzione (principio di garanzia tjâž0,8)tjmax).

4. simulazione del pcb di progettazione termica (analisi termica)

L'analisi termica può aiutare i progettisti a determinare le prestazioni elettriche dei componenti sul PCB e aiutare i progettisti a determinare se componenti o PCB si esauriranno a causa delle alte temperature. Semplice analisi termica calcola solo la temperatura media del PCB, mentre quelli complessi richiedono la creazione di modelli transitori per dispositivi elettronici contenenti PCB multipli e migliaia di componenti.

Non importa quanto attento l'analista sia nella costruzione di modelli termici di dispositivi elettronici, PCB e componenti elettronici, l'accuratezza dell'analisi termica dipende in ultima analisi dall'accuratezza del consumo energetico dei componenti forniti dai progettisti di PCB. In molte applicazioni, peso e dimensioni fisiche sono molto importanti. Se il consumo energetico effettivo del componente è piccolo, il fattore di sicurezza del progetto può essere troppo alto, in modo che il progetto PCB utilizzi il valore di consumo energetico del componente che non corrisponde all'effettivo o è troppo conservativo. L'analisi termica, al contrario (e più grave al tempo stesso), è che il fattore di sicurezza termica è progettato per essere troppo basso, cioè, la temperatura effettiva di funzionamento del componente è superiore a quella prevista dall'analista. Tali problemi richiedono generalmente l'installazione di dissipatori di calore o ventilatori Raffreddare il PCB per risolverlo. Questi accessori esterni aumentano il costo e prolungano i tempi di produzione. L'aggiunta di una ventola al design porterà anche uno strato di instabilità all'affidabilità. Pertanto, il PCB ora adotta principalmente metodi di raffreddamento attivi piuttosto che passivi (come convezione naturale, conduzione e dissipazione del calore di radiazione) per far funzionare i componenti in un intervallo di temperatura inferiore. La progettazione termica scadente alla fine aumenterà il costo e ridurrà l'affidabilità. Questo può accadere in tutti i progetti PCB. Ci vuole uno sforzo per determinare con precisione il consumo energetico dei componenti e quindi condurre l'analisi termica PCB, che aiuterà a produrre prodotti compatti e funzionali. Prodotto forte. I modelli termici accurati e il consumo energetico dei componenti dovrebbero essere utilizzati per evitare di ridurre l'efficienza di progettazione del PCB.

4.1 Calcolo del consumo energetico dei componenti

Determinare con precisione il consumo energetico dei componenti PCB è un processo iterativo. I progettisti di PCB devono conoscere la temperatura del componente per determinare la perdita di potenza e gli analisti termici devono conoscere la perdita di potenza per inserirla nel modello termico. Il progettista intuisce prima la temperatura dell'ambiente di lavoro di un componente o ottiene un valore stimato dall'analisi termica preliminare e inserisce il consumo energetico del componente nel modello termico dettagliato per calcolare la temperatura della "giunzione" (o punto caldo) del PCB e dei relativi componenti, La seconda fase utilizza la nuova temperatura per ricalcolare il consumo energetico del componente e il consumo energetico calcolato viene utilizzato come input per il successivo processo di analisi termica. In una situazione ideale, il processo continua fino a quando il valore non cambia più.

Tuttavia, i progettisti di PCB sono spesso sotto pressione per completare rapidamente le attività e non hanno abbastanza tempo per il lavoro dispendioso e ripetitivo per determinare le proprietà elettriche e termiche dei componenti. Un metodo semplificato consiste nel stimare il consumo energetico totale del PCB come un flusso di calore uniforme che agisce sull'intera superficie del PCB. L'analisi termica può prevedere la temperatura ambiente media, consentendo ai progettisti di calcolare il consumo energetico dei componenti e di sapere se è necessario eseguire altri lavori ricalcolando ulteriormente la temperatura del componente.

I produttori generali di componenti elettronici forniscono specifiche dei componenti, compresa la temperatura massima per il normale funzionamento. Le prestazioni dei componenti sono solitamente influenzate dalla temperatura ambiente o dalla temperatura interna dei componenti. I prodotti elettronici di consumo utilizzano spesso componenti incapsulati in plastica con una temperatura massima di esercizio di 85 gradi Celsius; mentre i prodotti militari spesso utilizzano parti ceramiche con una temperatura massima di lavoro di 125 gradi Celsius, e la temperatura massima nominale è solitamente di 105°C. I progettisti di PCB possono utilizzare la curva "temperatura / potenza" fornita dal produttore del dispositivo per determinare la dissipazione di potenza del componente a una certa temperatura.

Il metodo più accurato per calcolare la temperatura del componente è eseguire analisi termiche transitorie, ma è molto difficile determinare il consumo energetico istantaneo del componente.

Un compromesso migliore è quello di eseguire l'analisi valutata e peggiore separatamente in condizioni di stato stazionario. PCB è influenzato da vari tipi di calore. Le condizioni di confine termico tipiche che possono essere applicate includono:

convezione naturale o forzata dalle superfici anteriori e posteriori;

Radiazione termica proveniente dalle superfici anteriori e posteriori;

Conduzione dal bordo del PCB al guscio del dispositivo;

Conduzione ad altri PCB tramite connettori rigidi o flessibili;

Conduzione dal PCB alla staffa (bullonata o incollata e fissa);

La conduzione del dissipatore di calore tra 2 strati mezzanini PCB.