Teknik PCB - Rancangan PCB dan tindakan teknikal rancangan panas dan analisis panas

1. Kepentingan desain panas pcb

Selain kerja berguna, kebanyakan tenaga listrik yang dikonsumsikan oleh peralatan elektronik semasa operasi diubah menjadi panas dan dihancurkan. Panas yang dihasilkan oleh peralatan elektronik menyebabkan suhu dalaman meningkat dengan cepat. Jika panas tidak hilang pada masa, peralatan akan terus panas, peralatan akan gagal kerana pemanasan berlebihan, dan kepercayaan peralatan elektronik akan berkurang. SMT meningkatkan ketepatan pemasangan peralatan elektronik, mengurangkan kawasan penyebaran panas yang efektif, dan meningkat suhu peralatan mempengaruhi kepercayaan secara serius. Oleh itu, kajian tentang desain panas sangat penting.

2. Analisi faktor meningkat suhu papan sirkuit cetak

Penyebab langsung meningkat suhu papan sirkuit cetak adalah kerana wujud peranti penggunaan kuasa sirkuit, dan peranti elektronik semua mempunyai penggunaan kuasa kepada darjah yang berbeza, dan intensiti pemanasan berbeza dengan saiz penggunaan kuasa.

Dua fenomena meningkat suhu dalam papan sirkuit cetak:

(1) Tingkat suhu setempat atau meningkat suhu kawasan besar;

(2) Tingkat suhu jangka pendek atau meningkat suhu jangka panjang. Apabila menganalisis konsumsi tenaga panas PCB, ia secara umum dianalisis dari aspek berikut.

2.1 Penggunaan tenaga elektrik

(1) Analisis konsumsi kuasa per kawasan unit;

(2) Analisis distribusi penggunaan kuasa pada PCB.

2.2 Struktur papan sirkuit cetak

(1) Saiz papan sirkuit cetak;

(2) Bahan papan sirkuit dicetak.

2.3 Kaedah pemasangan papan sirkuit dicetak

(1) Kaedah pemasangan (seperti pemasangan menegak, pemasangan mengufuk);

(2) Keadaan penyegerakan dan jarak dari kawasan.

Radiasi pcb dirancang panas 2.4

(1) Koeficien radiasi pada permukaan papan sirkuit cetak;

(2) Perbezaan suhu antara papan sirkuit cetak dan permukaan bersebelahan dan suhu mutlak mereka;

2.5 Kondisi panas

(1) Pasang radiator;

(2) Melakukan bahagian struktur pemasangan lain.

2.6 Penyerangan panas

(1) Penyesuaian semulajadi;

(2) Memaksa penyesuaian.

Analisis faktor di atas dari PCB adalah cara yang efektif untuk menyelesaikan meningkat suhu papan cetak. Faktor-faktor ini sering berkaitan dan bergantung satu sama lain dalam produk dan sistem. Kebanyakan faktor patut dianalisis mengikut situasi sebenar, dan hanya untuk situasi yang spesifik Situasi sebenar boleh menghitung atau menilai parameter seperti meningkat suhu dan konsumsi kuasa dengan lebih betul.

3. prinsip pcb desain panas

3.1 Pemilihan bahan

(1) Tingkat suhu konduktor papan sirkuit cetak disebabkan semasa melepasi tambah suhu persekitaran yang dinyatakan tidak patut melebihi 125°C (nilai biasa digunakan mungkin berbeza bergantung pada papan yang dipilih). Kerana komponen yang dipasang pada papan sirkuit cetak juga mengeluarkan beberapa panas, yang mempengaruhi suhu operasi, faktor-faktor ini patut dianggap bila memilih bahan-bahan dan rancangan papan sirkuit cetak. Suhu titik panas tidak boleh melebihi 125°C. Pilih lapisan tembaga yang lebih tebal sebanyak mungkin.

(2) Dalam kes istimewa, plat berasaskan aluminum, berasaskan keramik, dan plat lain dengan resistensi panas rendah boleh dipilih.

(3) Penggunaan struktur papan sirkuit berbilang lapisan membantu desain panas PCB.

3.2 Pastikan saluran penyebaran panas tidak terhalang

(1) Gunakan keseluruhan pengaturan komponen, kulit tembaga, membuka tetingkap dan lubang penyebaran panas untuk menetapkan saluran tahan panas rendah yang masuk akal dan efektif untuk memastikan bahawa panas dikeksport dengan lancar ke PCB.

(2) Tetapkan penyebaran panas melalui lubang Mencipta beberapa penyebaran panas melalui lubang dan lubang buta boleh secara efektif meningkatkan kawasan penyebaran panas dan mengurangkan resistensi panas, dan meningkatkan ketepatan kuasa papan sirkuit. Contohnya, lubang melalui ditetapkan pad a pad peranti LCCC. Solder mengisi proses produksi sirkuit untuk meningkatkan konduktiviti panas. Panas yang dihasilkan semasa operasi sirkuit boleh dipindahkan dengan cepat ke lapisan penyebaran panas logam atau pad tembaga di belakang melalui lubang melalui atau lubang buta untuk disembelih. Dalam beberapa kes tertentu, papan sirkuit dengan lapisan penyebaran panas dirancang dan digunakan secara khusus. Bahan penyebaran panas adalah biasanya tembaga/molibdenum dan bahan-bahan lain, seperti papan cetak yang digunakan pada beberapa bekalan kuasa modul.

(3) Penggunaan bahan konduktif secara panas Untuk mengurangi resistensi panas proses konduktif panas, bahan konduktif secara panas digunakan pada permukaan kenalan antara peranti konsumsi kuasa tinggi dan substrat untuk meningkatkan efisiensi konduktif panas.

(4) Metod prosesFor some areas where the device is mounted on both sides, it is easy to cause local high temperature. Untuk memperbaiki keadaan penyebaran panas, sejumlah kecil tembaga boleh dicampur dalam pasta askar, dan kongsi askar di bawah peranti akan mempunyai tinggi tertentu selepas penyelamatan kembali. Lubang antara peranti dan papan cetak meningkat, dan penyebaran panas konveksi meningkat.

3.3 Keperluan untuk pengaturan komponen

(1) Lakukan analisis panas perisian pada PCB, dan merancang dan mengawal naik suhu maksimum dalaman;

(2) Ia boleh dianggap untuk merancang dan memasang komponen khusus dengan panas dan radiasi tinggi pada papan sirkuit cetak;

(3) Kapasiti panas papan disebarkan secara bersamaan. Hati-hati untuk tidak menempatkan komponen kuasa tinggi dalam cara yang terkonsentrasi. Jika ia tidak dapat dihindari, letakkan komponen pendek di atas aliran udara dan pastikan aliran udara sejuk yang cukup melalui kawasan yang berkonsentrasi konsumsi panas;

(4) Jadikan laluan pemindahan panas sebagai pendek yang mungkin;

(5) Buat bahagian pemindahan panas sebanyak yang boleh;

(6) Bentangan komponen patut mempertimbangkan pengaruh radiasi panas pada bahagian sekeliling. Bahagian dan komponen sensitif panas (termasuk peranti setengah konduktor) patut dijauhkan dari sumber panas atau terpisah;

(7) (Medium cair) Lebih baik untuk menjauhkan kondensator dari sumber panas;

(8) Perhatikan arah ventilasi terpaksa dan ventilasi semulajadi;

(9) Subpapan tambahan dan saluran udara peranti berada dalam arah yang sama dengan ventilasi;

(10) Sebanyak mungkin, jadikan penerimaan dan keleluaran mempunyai jarak yang cukup;

(11) Peranti pemanasan patut ditempatkan di atas produk sebanyak mungkin, dan patut ditempatkan di saluran aliran udara bila syarat membenarkan;

(12) Komponen dengan panas tinggi atau arus tinggi tidak patut ditempatkan pada sudut dan pinggir periferik papan cetak, dan patut dipasang pada radiator selama yang mungkin, jauh dari komponen lain, dan pastikan saluran penyebaran panas tidak diharamkan;

(13) (Peranti periferik penyampai isyarat kecil) Cuba guna peranti dengan gerakan suhu kecil;

(14) Gunakan chassis logam atau chassis sebanyak mungkin untuk menghapuskan panas.

3.4 Keperluan untuk kabel

(1) Pemilihan papan (rancangan yang masuk akal struktur papan dicetak);

(2) Peraturan kabel;

(3) Rancangkan lebar saluran minimum mengikut ketepatan semasa peranti; memberi perhatian khusus kepada kawat saluran di persimpangan;

(4) Garis-semasa tinggi sepatutnya sebagai permukaan yang mungkin; jika keperluan tidak dapat dipenuhi, penggunaan bar bas boleh dianggap;

(5) Minimumkan resistensi panas permukaan kontak. Sebab itu, kawasan kondukti panas perlu diperbesar; permukaan kenalan patut rata dan licin, dan boleh dicat jika perlu. Dipenutup dengan lemak panas;

(6) Pertimbangkan tindakan keseimbangan tekanan untuk titik tekanan panas dan tebal garis;

(7) Kulit tembaga yang mengalirkan panas perlu menerima kaedah tetingkap stres mengalirkan panas, dan menggunakan topeng solder yang mengalirkan panas untuk membuka tetingkap dengan betul;

(8) Jika boleh, gunakan foil tembaga luas di permukaan;

(9) Guna pads yang lebih besar untuk lubang pemasangan tanah pada papan cetak untuk menggunakan bolt pemasangan dan foil tembaga pada permukaan papan cetak untuk penyebaran panas;

(10) Letakkan sebanyak mungkin botol metalisasi, dan bukaan dan permukaan cakera sepatutnya sebanyak mungkin, bergantung pada botol untuk membantu penyebaran panas;

(11) Means tambahan untuk penyisipan panas peranti;

(12) Dalam kes yang mana permukaan besar foli tembaga boleh digunakan, kaedah untuk menambah sink panas tidak boleh digunakan kerana pertimbangan ekonomi;

(13) Kira kawasan foil tembaga penyebaran panas permukaan yang sesuai mengikut konsumsi kuasa peranti, suhu lingkungan dan suhu sambungan maksimum yang dibenarkan (prinsip jaminan tj ⤤(0.5～0.8)tjmax).

4. simulasi pcb rancangan panas (analisis panas)

Analisis panas boleh membantu desainer menentukan prestasi elektrik komponen pada PCB, dan membantu desainer menentukan sama ada komponen atau PCB akan terbakar kerana suhu tinggi. Analisis panas sederhana hanya menghitung suhu purata PCB, sementara yang kompleks memerlukan pembangunan model sementara untuk peranti elektronik yang mengandungi PCB berbilang dan ribuan komponen.

Tidak peduli seberapa berhati-hati analisis apabila membangun model panas peranti elektronik, PCB, dan komponen elektronik, akurat analisis panas akhirnya bergantung pada akurat konsumsi kuasa komponen yang disediakan oleh perancang PCB. Dalam banyak aplikasi, berat badan dan saiz fizikal sangat penting. Jika konsum kuasa sebenar komponen kecil, faktor keselamatan desain mungkin terlalu tinggi, sehingga desain PCB menggunakan nilai konsum kuasa komponen yang tidak sepadan dengan faktor sebenar atau terlalu konservatif. Analisis panas, sebaliknya (dan lebih serius pada masa yang sama), adalah bahawa faktor keselamatan panas direka untuk terlalu rendah, iaitu, suhu operasi sebenar komponen adalah lebih tinggi daripada ramalan analis. Masalah seperti ini secara umum memerlukan pemasangan sink panas atau peminat Cool PCB untuk menyelesaikannya. Akses luar ini meningkatkan biaya dan memperpanjang masa penghasilan. Menambah peminat ke rancangan juga akan membawa lapisan ketidakstabilan kepada kepercayaan. Oleh itu, PCB kini terutama mengadopsi kaedah pendinginan aktif daripada pasif (seperti konveksi semulajadi, kondukti, dan penyebaran panas radiasi) untuk membuat komponen berfungsi dalam julat suhu yang lebih rendah. Rancangan panas yang teruk akan meningkatkan biaya dan mengurangkan kepercayaan. Ini boleh berlaku dalam semua rekaan PCB. Ia memerlukan beberapa usaha untuk menentukan dengan tepat konsumsi kuasa komponen, dan kemudian melakukan analisis panas PCB, yang akan membantu menghasilkan produk kompak dan berfungsi. Produk yang kuat. Model panas yang tepat dan penggunaan kuasa komponen patut digunakan untuk mengelakkan mengurangi efisiensi reka PCB.

4.1 Pengiraan konsumsi kuasa komponen

Menentukan dengan tepat konsumsi kuasa komponen PCB adalah proses berulang. Penjana PCB perlu tahu suhu komponen untuk menentukan kehilangan kuasa, dan analis suhu perlu tahu kehilangan kuasa untuk memasukkannya ke dalam model suhu. Penjana pertama menebak suhu persekitaran kerja bagi komponen atau mendapatkan nilai dijangka dari analisis suhu awal, dan masukkan konsumsi kuasa komponen ke dalam model suhu terperinci untuk mengira suhu "sambungan" (atau titik panas) PCB dan komponen berkaitan, Langkah kedua menggunakan suhu baru untuk menghitung semula konsum kuasa komponen, dan konsum kuasa dihitung digunakan sebagai input untuk proses analisis suhu berikutnya. Dalam situasi yang ideal, proses terus berlanjut sehingga nilai tidak berubah lagi.

Namun, perancang PCB sering berada di bawah tekanan untuk menyelesaikan tugas dengan cepat, dan mereka tidak mempunyai cukup masa untuk kerja yang memakan masa dan berulang untuk menentukan ciri-ciri elektrik dan panas komponen. Kaedah mudah adalah untuk menghargai penggunaan total kuasa PCB sebagai aliran panas yang sama yang bertindak pada seluruh permukaan PCB. Analisis panas boleh meramalkan suhu persekitaran rata-rata, membolehkan perancang menghitung konsumsi kuasa komponen, dan mengetahui sama ada kerja lain perlu dilakukan dengan mengira semula suhu komponen.

Pembuat komponen elektronik umum menyediakan spesifikasi komponen, termasuk suhu maksimum untuk operasi normal. Performasi komponen biasanya dipengaruhi oleh suhu persekitaran atau suhu dalaman komponen. Produk elektronik konsumen sering menggunakan komponen plastik-encapsulated dengan suhu kerja maksimum 85 darjah Celsius; sementara produk tentera sering menggunakan bahagian keramik dengan suhu kerja maksimum 125 darjah Celsius, dan suhu maksimum bernilai biasanya adalah 105°C. Penjana PCB boleh guna lengkung "suhu/kuasa" yang disediakan oleh pembuat peranti untuk menentukan penyebaran kuasa komponen pada suhu tertentu.

Kaedah yang paling tepat untuk menghitung suhu komponen adalah untuk melakukan analisis suhu sementara, tetapi ia sangat sukar untuk menentukan konsumsi kuasa segera komponen.

Kompromi yang lebih baik adalah untuk melakukan analisis nilai dan kes terburuk secara terpisah dalam keadaan stabil. PCB terpengaruh oleh berbagai jenis panas. Keadaan sempadan panas biasa yang boleh dilaksanakan termasuk:

Penyesuaian semulajadi atau terpaksa dari permukaan depan dan belakang;

Radiasi panas dari permukaan depan dan belakang;

Conduction from the edge of the PCB to the device shell;

Perjalanan ke PCB lain melalui sambungan yang ketat atau fleksibel;

Perjalanan dari PCB ke gelang (bolted atau glued and fixed);

Kondisi sink panas antara 2 lapisan mezzanine PCB.