Технология PCB - ПКБ проектирование и технические меры теплового проектирования и термического анализа

Важность печатная плата теплового расчета

Помимо полезной работы, большая часть электрической энергии, потребляемой электронным оборудованием в процессе работы, преобразуется в тепло и выделяется. тепло, выделяемое электронным оборудованием, приводит к быстрому повышению внутренней температуры. Если тепло не отводить вовремя, оборудование будет продолжать нагреваться, устройство выйдет из строя из-за перегрева, надежность электронного оборудования также снизится.

SMT увеличивает плотность монтажа электронного оборудования, уменьшение площади эффективного теплоотвода, а повышение температуры оборудования серьезно влияет на его надежность.Поэтому исследование теплового дизайна очень важно.

2.Анализ факторов повышения температуры печатных плат

непосредственная причина повышения температуры печатных плат заключается в наличии устройств, потребляющих мощность схемы, и электронных приборов различной степени энергопотребления, а интенсивность нагрева изменяется в зависимости от размера энергопотребления.

два явления повышения температуры в печатных платах:

(1)Локальное повышение температуры или повышение температуры на большой площади;

(2) Кратковременное повышение температуры или длительное повышение температуры.

(3) При анализе тепловой мощности PCB потребление, как правило, анализируется со следующих сторон.

2.1 потребление электроэнергии

(1) Проанализируйте потребляемую мощность на единицу площади;

(2) Проанализируйте распределение потребляемой мощности на печатной плате.

2.2 Структура печатные платы 

1) Размер печатных плат;

2) Материал печатных плат.

2.3 способ монтажа печатных плат

1)Способ установки (например, вертикальная установка, горизонтальная установка);

2) условия герметизации и расстояние до корпуса.

2.4тепловое излучение

1) коэффициент излучения на поверхности печатных плат;

2) Разница температур между печатной платой и прилегающими поверхностями и их абсолютная температура;

2.5 теплопередача

1) Установите радиатор;

2) проводимость других монтажных конструкций.

2.6конвекция тепла

1) естественная конвекция;

2) конвекция принудительного охлаждения.

Анализ вышеперечисленных факторов со стороны печатной платы является эффективным способом решения проблемы повышения температуры печатной платы. В продуктах и системах эти факторы часто взаимосвязаны и зависят друг от друга. Большинство факторов следует анализировать в соответствии с реальной ситуацией, более точно рассчитывая или оценивая такие параметры, как повышение температуры и потребление энергии.

3.Принципы теплового проектирования

3.1выбор материала

1) в силу того, что температура проводника печатных плат не должна превышать 125°C (типичные значения, которые обычно используются, могут варьироваться в зависимости от выбранной платы), при прохождении тока плюс установленную температуру окружающей среды. поскольку компоненты, установленные на печатных платах, также выделяют определенное количество тепла, что влияет на температуру работы, эти факторы следует принимать во внимание при выборе материалов и при проектировании печатных плат. температура в горячей точке не должна превышать 125°C.

2) в исключительных случаях можно выбрать алюминиевое основание, керамическую плитку и другие листовые листы с низкой теплоизоляцией.

3)Использование многослойной структуры печатной платы помогает в тепловом проектировании печатных плат.

3.2 обеспечение бесперебойного функционирования каналов теплоотвода

1) в полной мере использовать конфигурацию элементов, медную кожух, отверстия окон и отверстия для отвода тепла, чтобы создать рациональный и эффективный канал для снижения тепловых сопротивлений и обеспечить плавный вывод тепла на PCB.

2)Настройка отвода тепла через отверстия

Проектирование некоторых теплоотводов через отверстия и глухие отверстия может эффективно увеличить площадь теплоотвода и уменьшить тепловое сопротивление, повышая плотность мощности платы. Например, отверстие на паяльной пластине оборудования lxc. Припой заполняет его в процессе производства схемы, чтобы увеличить теплопроводность. тепло, рассеиваемое при работе схемы, может быть быстро передано через отверстие или глухое отверстие на металлический теплоноситель или медную площадку с обратной стороны... в некоторых случаях специально разрабатывается и используется печатная плата с теплоотводящим слоем. теплоотводящим материалом обычно является медь/молибден и другие материалы, например печатные платы, используемые на некоторых модульных источниках питания.

3)Использование теплопроводящих материалов

Чтобы уменьшить тепловое сопротивление процесса теплопроводника, на поверхности контакта между устройством с высоким энергопотреблением и подложкой используется теплопроводящий материал для повышения эффективности теплопроводности.

4)Метод обработки

В некоторых местах, где устройство установлено с обеих сторон, легко вызвать локальное повышение температуры. Чтобы улучшить условия теплоотдачи, в паяльную пасту можно подмешать небольшое количество мелкой меди, После обратной сварки под оборудованием температура будет иметь определенную высоту. Зазор между устройством и печатной платой увеличивается, конвекционная теплоотдача увеличивается.

3.3 требования к компоновке узлов

1)Выполните программный тепловой анализ печатной платы, разработайте и контролируйте максимальное повышение внутренней температуры;

2) можно рассмотреть вопрос о разработке и установке на печатных платах специальных тепловых и высокорадиоактивных компонентов;

3) Теплоемкость платы распределяется равномерно. обратите внимание, что сборки большой мощности не следует концентрировать. Если это неизбежно, разместите короткие компоненты в восходящем потоке и подайте достаточное количество охлаждающего воздуха через концентрацию тепловыделения;

4) кратчайшие пути теплопередачи;

5) Сделайте поперечное сечение теплообмена как можно большим;

6) при компоновке компонентов следует учитывать влияние теплового излучения на окружающие компоненты. теплочувствительные компоненты (включая полупроводниковые приборы) должны быть отделены от источников тепла или изолированы;

7) (Жидкая среда) Лучше всего держать конденсатор вдали от источника тепла;

8) уделение внимания направлению принудительной и естественной вентиляции;

9) Дополнительные платы и воздушные каналы устройств расположены в том же направлении, что и вентиляция;

10) по мере возможности, достаточно далеко от выхлопных газов;

11) Нагревательные устройства должны располагаться как можно выше над продуктом, если позволяют условия, их следует размещать в канале потока;

12) элементы с высокой температурой или большим током не должны размещаться в углах и по периметру печатных плат, они должны быть установлены на радиаторе как можно дольше, вдали от других элементов, и должны обеспечивать свободный проход теплоносителя;

13) (периферийное устройство усилителя малой сигнализации) использовать, насколько это возможно, оборудование с малым перепадом температуры;

14) Используйте металлические корпуса или шасси для максимального отвода тепла.

3.4 Требования к подключению

1) Выбор платы (разумный дизайн структуры печатной платы);

2) правила проводки;

3) минимальная ширина канала, рассчитанная по плотности тока в приборе; особое внимание уделяется прокладке каналов на стыке;

4) линии высокого тока должны быть как можно более поверхностными; Если требования не удовлетворены, можно рассмотреть вопрос об использовании материнской линии;

5) Minimize the thermal resistance of the contact surface. поэтому, the heat conduction area should be enlarged; the contact surface should be flat and smooth, при необходимости может производиться окраска.
Coated with thermal grease;

6) Consider stress balance measures for thermal stress points and thicken the lines;

7) кожура рассеянной меди должна быть использована для отвода тепла под напряжением окна, а также для правильного открытия окна с помощью пластин для сварки с охлаждением;

8) использование, по возможности, крупной площади медной фольги на поверхности;

9) Use larger pads for the ground mounting holes on the printed board to make full use of the mounting bolts and the copper foil on the surface of the printed board for heat dissipation;

10) установка как можно большего количества металлизированных отверстий, отверстий и поверхности диска должны быть как можно более крупными и должны опираться на отверстие для охлаждения;

11) Complementary means for device heat dissipation;

12) в тех случаях, когда можно использовать медную фольгу с большой площадью поверхности, по экономическим соображениям может не использоваться метод добавления радиаторов;

13) рассчитывается соответствующая площадь медной фольги для охлаждения поверхности в соответствии с энергоемкостью установки, температурой окружающей среды и максимально допустимой температурой перехода (принцип tj 12737 ^ 591434 ^ 591434 ^ 158º 0,8) tjmax).

термомоделирование (термический анализ)

Тепловой анализ может помочь разработчикам определить электрические характеристики компонентов на печатных платах и определить, сгорят ли компоненты или печатные платы под воздействием высоких температур. Простой тепловой анализ предназначен только для средних температур печатных плат, а сложный требует создания моделей переходных процессов для электронных устройств, содержащих несколько печатных плат и тысячи компонентов.

Независимо от того, насколько осторожны аналитики при создании тепловой модели электронного оборудования, Печатные платы, электронные элементы, точность теплового анализа в конечном итоге зависит от точности данных о потребляемой мощности компонентов, предоставляемых разработчиками печатных плат. Во многих случаях очень важны вес и физические размеры. Если фактическая мощность компонента невелика, расчётный коэффициент безопасности может быть завышен, поэтому при проектировании печатной платы используется значение потребляемой мощности компонента, которое не соответствует реальному или является слишком консервативным. Термический анализ, наоборот (и в то же время более серьезный), коэффициент запаса тепла слишком низкий, то есть фактическая рабочая температура узла выше прогноза аналитика. Для решения таких проблем обычно требуется установка радиаторов или вентиляторов на печатную плату. Эти внешние детали повышают стоимость, удлиняют время изготовления. Добавление вентилятора в конструкцию также придаст надежности. Поэтому в настоящее время в печатных платах в основном используются активные, а не пассивные методы охлаждения (такие как естественная конвекция, кондукция и радиационное рассеивание тепла), чтобы заставить компоненты работать в более низком температурном диапазоне.

Плохой тепловой расчет в конечном итоге приведет к увеличению стоимости и снижению надежности. Это может произойти во всех конструкциях печатных плат. точное определение энергозатрат компонентов требует определенных усилий, а затем проведение теплового анализа печатной платы, что поможет производить компактные функциональные изделия. прочные изделия. точные тепловые модели и энергозатраты компонентов должны быть использованы, чтобы избежать снижения эффективности конструкции печатной платы.

4.1расчет расхода мощности узла

точное определение расхода мощности компонентов PCB - процесс итерации. Конструкторы PCB должны знать температуру элемента, чтобы определить потерю мощности, а специалисты по анализу тепла должны знать потерю мощности, чтобы ввести ее в тепловую модель. Во - первых, конструкторы спрогнозировали температуру рабочей среды элементов или получаемую из предварительного термического анализа оценку и ввели подробную тепловую модель энергопотребления элементов для расчета температуры перехода (или горячей точки) на PCB и связанные с ним компоненты,на втором этапе при новой температуре производится перерасчет мощности сборки, а измеренная мощность используется в качестве ввода в следующий процесс теплоанализа.В идеале этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока значения не изменятся.

Однако дизайнеры PCB часто испытывают давление, связанное с быстрым выполнением задач, и у них не хватает времени для выполнения трудоемких и повторяющихся работ по определению электрических и тепловых характеристик компонентов. упрощенный подход заключается в том,чтобы оценить общее потребление энергии PCB как однородный тепловой поток, воздействующий на всю поверхность PCB.тепловой анализ позволяет спрогнозировать среднюю температуру окружающей среды, позволяет Конструкторам рассчитать энергозатраты агрегатов и узнать,нужно ли выполнять другую работу, дополнительно пересчитая температуру агрегатов.

Производители универсальных электронных элементов предоставляют спецификации элементов, включая максимальную температуру нормальной эксплуатации. Свойства узла обычно зависят от температуры окружающей среды или внутренней температуры узла. Электронные продукты потребительского класса обычно используют пластмассовые блоки с максимальной рабочей температурой 85°C; Хотя в военных изделиях обычно используются керамические компоненты с максимальной рабочей температурой 125°C, максимальная номинальная температура обычно составляет 105°C.

наиболее точным методом расчета температуры элемента является нестационарный термический анализ, но трудно определить мгновенное потребление мощности элемента.

лучший компромисс заключается в том, чтобы проводить отдельно номинальный и наихудший анализ в стабильных условиях.

Печатная плата подвергается воздействию различных видов тепла. Типичные тепловые граничные условия, которые могут быть применены, включают:

Естественная или принудительная конвекция с передней и задней поверхностей;

теплоизлучение спереди и сзади;

Проводимость от края печатные платы к корпусу устройства;

передача через жесткий или гибкий соединитель на другие PCB;

Проводка от печатной платы к кронштейну (прикрученному или приклеенному и закрепленному);

Проведение теплоотвода между 2 прослойками печатная плата.