PCB Tecnico - Circa un genere di PCB adatto per resistenza alle alte temperature

Come tutti sappiamo, i progettisti stanno spremendo più prestazioni dai circuiti stampati. La densità di potenza è in aumento e le temperature che ne derivano possono causare gravi danni ai conduttori e ai dielettrici. La temperatura elevata, dovuta a perdite di I2R o fattori ambientali, influenzerà la resistenza termica e l'impedenza elettrica, con conseguente instabilità delle prestazioni del sistema, anche se non si tratta di un guasto completo. La differenza nei tassi di espansione termica tra conduttori e dielettrici (misura della tendenza di un materiale ad espandersi quando riscaldato e a contrarsi quando raffreddato) può causare sollecitazioni meccaniche, che possono portare a crepe e guasti di connessione, soprattutto quando il circuito stampato viene riscaldato e raffreddato periodicamente. Se la temperatura è abbastanza alta, il dielettrico può perdere completamente la sua integrità strutturale, lasciando i primi domino in difficoltà.

Il calore è sempre stato un fattore che influisce sulle prestazioni del PCB. I progettisti sono abituati a includere dissipatori di calore nei PCB. Tuttavia, i requisiti odierni di progettazione ad alta densità di potenza spesso superano le pratiche tradizionali di gestione termica PCB.

La mitigazione degli effetti delle alte temperature ha un impatto profondo non solo sulle prestazioni e sull'affidabilità dei PCB ad alta temperatura, ma anche sui seguenti fattori:

Peso del componente (o del sistema)

Dimensione dell'applicazione

costo

Requisiti energetici

Un PCB ad alta temperatura è solitamente definito come uno con una Tg (temperatura di transizione del vetro) superiore a 170 ° C.

Per carichi termici continui, a temperature di esercizio inferiori a Tg 25°C, i PCB ad alta temperatura devono seguire una semplice regola generale.

Pertanto, se il prodotto è nell'intervallo di temperatura di 130°C o superiore, si consiglia di utilizzare materiali ad alto Tg.

In questo articolo, discuteremo alcuni metodi e tecniche di progettazione utilizzati nella produzione di PCB ad alta temperatura e PCBA per aiutare i progettisti a far fronte alle applicazioni ad alta temperatura.

Tecnologia di dissipazione del calore PCB e considerazioni di progettazione

Il calore viene dissipato attraverso uno o più meccanismi (radiazione, convezione, conduzione), e il team di progettazione deve tenere presente questi tre fattori quando decide come gestire la temperatura del sistema e dei componenti.

PCB in rame pesante

radiazioni

La radiazione è l'emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche. Tendiamo a pensarlo come qualcosa che emette solo luce, ma il fatto è che qualsiasi oggetto con una temperatura superiore allo zero assoluto irradia calore. Anche se il calore solitamente dissipato ha il minor impatto sulle prestazioni del circuito stampato, a volte può essere la paglia che ha rotto la schiena del cammello. Per rimuovere efficacemente il calore, le onde elettromagnetiche dovrebbero avere un percorso relativamente chiaro lontano dalla sorgente. La superficie riflettente frustra il deflusso di fotoni e raggruppa un gran numero di fotoni alla sua fonte. Se è un peccato che le superfici riflettenti insieme formino un effetto specchio parabolico, concentreranno l'energia radiante di molte fonti luminose e la focalizzeranno su una parte sfortunata del sistema, causando problemi reali.

convezione

La convezione trasferisce calore ai fluidi (aria, acqua, ecc.). La convezione è "naturale": il fluido assorbe calore dalla fonte di calore, diminuisce di densità, sale dalla fonte di calore al radiatore, raffredda, aumenta di densità, quindi ritorna alla fonte di calore, e poi ripete il processo. (Richiamare il "ciclo della pioggia" nella scuola elementare) Altra convezione è "forzata" da ventilatori o pompe. I fattori chiave che influenzano la convezione sono la differenza di temperatura tra la sorgente e il refrigerante, la difficoltà della fonte di trasferire calore, la difficoltà del refrigerante di assorbire calore, la portata del refrigerante e l'area superficiale per il trasferimento di calore. Il liquido assorbe il calore più facilmente del gas.

Conduttività

La conduzione è il trasferimento di calore attraverso il contatto diretto tra la fonte di calore e il dissipatore di calore. Per molti versi, è simile alla corrente elettrica: la differenza di temperatura tra la sorgente e il lavandino è simile alla tensione, il calore trasferito per unità di tempo è simile all'amperaggio e la facilità con cui il calore scorre attraverso un conduttore di calore è simile alla corrente elettrica. Conduttività. Infatti, i fattori che costituiscono un buon conduttore elettrico spesso costituiscono anche un buon conduttore termico, perché rappresentano tutti la forma del moto molecolare o atomico. Ad esempio, rame e alluminio sono eccellenti conduttori di calore ed elettricità. Le sezioni trasversali del conduttore più grandi possono aumentare la conducibilità del calore e degli elettroni. Proprio come i circuiti elettrici, percorsi di flusso lunghi e tortuosi possono ridurre notevolmente l'efficienza dei conduttori.

Generalmente, il meccanismo principale per rimuovere il calore da un circuito stampato è quello di condurre calore ad un dissipatore di calore adatto e la convezione conduce calore all'ambiente. Il calore irradia un po' di calore direttamente dalla fonte, ma la maggior parte del calore viene solitamente portato via attraverso canali appositamente progettati (chiamati "corridoi caldi" o "corridoi caldi"). Il dissipatore di calore PCB è relativamente grande e ha una superficie ad alta emissività (solitamente ondulata o alettata per aumentare ulteriormente l'area della superficie), legando con un supporto conduttivo (come rame o alluminio), che è un processo ad alta intensità di lavoro. Il dissipatore di calore PCB può anche essere collegato al telaio del dispositivo per utilizzare la sua superficie. I ventilatori sono solitamente utilizzati per fornire il flusso d'aria di raffreddamento. In casi estremi, l'aria di raffreddamento stessa può essere raffreddata in uno scambiatore di calore gas-liquido.