Технология PCB - Тепловое моделирование пластины PCB

Тепловой анализ помогает дизайнерам определить электрические характеристики компонентов на ПХД и определить, могут ли компоненты или ПХД сгореть при высоких температурах. Простой термический анализ вычисляет только среднюю температуру ПХБ, в то время как электронные устройства с несколькими ПХБ и тысячами компонентов создают сложные переходные модели.

Независимо от того, насколько тщательно аналитики моделируют тепловую мощность электронных устройств, PCBS и электронных компонентов, точность теплового анализа в конечном итоге зависит от точности энергопотребления компонентов, предоставляемых дизайнерами PCB. Вес и физические размеры очень важны во многих приложениях, если фактическое потребление энергии элемента невелико, это может привести к более высокому коэффициенту безопасности конструкции, что облегчает фактическую конструкцию PCB, или значение энергопотребления элемента слишком консервативно, в соответствии с тепловым анализом, более серьезным является слишком низкий коэффициент безопасности тепловой конструкции, то есть температура элемента выше, чем прогнозировали аналитики во время фактической работы, и такие проблемы обычно решаются путем установки охлаждающего устройства или вентилятора для охлаждения PCB. Эти дополнения увеличивают затраты и время изготовления, а добавление вентиляторов в конструкцию создает слой нестабильности надежности, поэтому PCBS теперь использует активное, а не пассивное охлаждение (например, естественную конвекцию, проводимость и радиационное охлаждение), чтобы позволить компонентам работать в более низких температурных диапазонах.

Плохая тепловая конструкция в конечном итоге приводит к более высоким затратам и снижению надежности, что может произойти во всех конструкциях PCB. Точное определение энергопотребления компонентов, а затем термический анализ PCB может помочь в производстве небольших функциональных продуктов. Следует использовать точные тепловые модели и энергопотребление компонентов, чтобы избежать снижения эффективности проектирования PCB.

1. Расчет мощности элемента

Точное определение энергопотребления компонентов PCB является итеративным процессом. Дизайнеры PCB должны знать температуру компонента, чтобы определить потерянную мощность, в то время как термоанализаторы должны знать потерю мощности для ввода в тепловую модель. Дизайнер сначала угадывает температуру рабочей среды или оценку, полученную из первоначального теплового анализа, и уточняет тепловую модель ввода мощности элемента, вычисляет « узл» (или тепло) PCB и связанных с ним элементов, а вторая температура - использовать новую температуру для расчета энергопотребления элемента и снова вычисляет следующий вход мощности в процессе теплового анализа. В идеальном мире этот процесс продолжается до тех пор, пока его значение не перестанет меняться.

Тем не менее, разработчики PCB часто сталкиваются с давлением, чтобы быстро выполнить задачу и не имеют достаточного времени для выполнения трудоемких и повторяющихся определений электрических и тепловых характеристик компонентов. Упрощенный подход заключается в том, чтобы оценить общее энергопотребление PCB как равномерный тепловой поток, действующий на всю поверхность PCB. Тепловой анализ позволяет прогнозировать среднюю температуру окружающей среды, позволяя проектировщикам рассчитать энергопотребление компонентов и узнать, требуется ли дополнительная работа, дополнительно удвоив температуру компонентов.

Как правило, производители электронных компонентов предлагают спецификации компонентов, включая максимальную рабочую температуру. Производительность компонентов обычно зависит от температуры окружающей среды или внутренней температуры элемента, потребительская электроника часто использует пластиковые компоненты, максимальная рабочая температура 85 градусов по Цельсию; В военных изделиях обычно используются керамические компоненты с максимальной температурой 125 °C, как правило, с номинальной температурой 105 °C. Дизайнеры ПХД могут использовать кривую температуры / мощности, предоставленную изготовителем оборудования, для определения энергопотребления компонентов при заданной температуре.

Переходный тепловой анализ является наиболее точным методом расчета температуры элемента, но трудно определить мгновенное энергопотребление элемента.

Лучшим компромиссом является анализ номинальных значений и наихудших сценариев отдельно в стационарных условиях.

На PCBS влияют различные типы тепла, и типичные граничные условия тепла, которые могут быть применены, включают:

Естественная или принудительная конвекция с передней и задней поверхностей;

Тепловое излучение с передней и задней поверхностей;

Провод от края PCB к корпусу устройства;

Передача другим PCBS через жесткий или гибкий разъем;

Проводность от PCB к кронштейну (болтовое соединение или склеивание);

Проводимость радиатора между двумя слоями PCB.

Инструменты термического моделирования имеют несколько форм. Основные инструменты теплового моделирования и анализа включают общие инструменты для анализа любой структуры, инструменты вычислительной гидродинамики (CFD) для анализа потока / теплопередачи системы и приложения PCB для детального моделирования PCB и компонентов.

2. Основные процессы

Ускорить тепловую конструкцию ПХБ без ущерба и содействия улучшению показателей электрических характеристик системы в соответствии с предоставленным зрелым опытом.

На основе прогнозирования системного и теплового анализа и теплового проектирования на уровне устройства результаты теплового проектирования могут быть предсказаны с помощью теплового моделирования на уровне пластины, чтобы обнаружить дефекты конструкции и предоставить системные или приборные решения для модификации.

Эффективность тепловой конструкции была проверена с помощью испытаний тепловых свойств, и была проведена оценка применимости и эффективности программы.

Благодаря непрерывному практическому процессу цикла обратной связи с мерами предварительного проектирования модель теплового моделирования модифицируется и накапливается для ускорения теплового моделирования и повышения точности теплового моделирования. Дополнительный опыт проектирования теплоотвода PCB.

3. Тепловое моделирование на уровне пластин

Программное обеспечение для теплового моделирования пластины может имитировать тепловое излучение, теплопроводность, тепловую конвекцию, температуру жидкости, давление жидкости, скорость жидкости и вектор движения ПХБ в трехмерной структурной модели, а также принудительное охлаждение, вакуумное состояние или естественное охлаждение. В настоящее время Flotherm, Betasoft и другие являются типичными программами для теплового анализа панелей.