Công nghệ PCB - Thiết kế PCB và các biện pháp kỹ thuật cho thiết kế nhiệt và phân tích nhiệt

1. Tầm quan trọng của thiết kế nhiệt pcb

Ngoài công việc hữu ích, hầu hết năng lượng điện mà các thiết bị điện tử tiêu thụ trong quá trình hoạt động được chuyển đổi thành nhiệt và thải ra ngoài. Nhiệt được tạo ra bởi các thiết bị điện tử có thể khiến nhiệt độ bên trong tăng nhanh. Nếu nhiệt không tiêu tan kịp thời, thiết bị sẽ tiếp tục nóng lên, thiết bị sẽ thất bại do quá nóng và độ tin cậy của thiết bị điện tử sẽ giảm. SMT làm tăng mật độ lắp đặt của thiết bị điện tử, giảm diện tích tản nhiệt hiệu quả và sự gia tăng nhiệt độ của thiết bị ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy. Do đó, nghiên cứu về thiết kế nhiệt là rất quan trọng.

2. Phân tích yếu tố tăng nhiệt độ của bảng mạch in

Nguyên nhân trực tiếp của sự gia tăng nhiệt độ của bảng mạch in là do sự hiện diện của các thiết bị tiêu thụ điện năng mạch, trong khi các thiết bị điện tử đều có mức tiêu thụ điện năng khác nhau và cường độ sưởi ấm thay đổi theo kích thước tiêu thụ điện năng.

Hai hiện tượng tăng nhiệt độ của bảng mạch in:

(1) tăng nhiệt độ cục bộ hoặc tăng nhiệt độ khu vực rộng;

(2) Tăng nhiệt độ ngắn hạn hoặc tăng nhiệt độ dài hạn. Việc phân tích công suất nhiệt PCB tốn thời gian và thường được phân tích từ các khía cạnh sau.

2.1 Tiêu thụ điện

(1) Phân tích mức tiêu thụ điện năng trên một đơn vị diện tích;

(2) Phân tích phân phối điện năng tiêu thụ trên PCB.

2.2 Cấu trúc của bảng mạch in

(1) Kích thước của bảng mạch in;

(2) Vật liệu của bảng mạch in.

2.3 Phương pháp lắp đặt bảng mạch in

(1) phương pháp cài đặt (chẳng hạn như cài đặt dọc, cài đặt ngang);

(2) Điều kiện niêm phong và khoảng cách từ tay áo.

2.4 Thiết kế nhiệt pcb bức xạ

(1) Hệ số bức xạ trên bề mặt của bảng mạch in;

(2) chênh lệch nhiệt độ giữa bảng mạch in và bề mặt liền kề và nhiệt độ tuyệt đối của nó;

2.5 Truyền nhiệt

(1) Cài đặt tản nhiệt;

(2) Hướng dẫn các bộ phận cấu trúc lắp đặt khác.

2.6 Đối lưu nhiệt

(1) Đối lưu tự nhiên;

(2) Đối lưu làm mát cưỡng bức.

Phân tích các yếu tố trên từ góc độ của bảng in là một cách hiệu quả để giải quyết vấn đề tăng nhiệt độ của bảng in. Trong một sản phẩm và hệ thống, các yếu tố này thường liên quan và phụ thuộc lẫn nhau. Hầu hết các yếu tố cần được phân tích dựa trên tình hình thực tế và các thông số như tăng nhiệt độ và tiêu thụ điện năng chỉ có thể được tính toán hoặc ước tính chính xác hơn cho các tình huống thực tế cụ thể.

3. nguyên tắc pcb thiết kế nhiệt

3.1 Lựa chọn vật liệu

(1) Do dòng điện cộng với nhiệt độ môi trường được chỉ định, sự gia tăng nhiệt độ của dây dẫn bảng mạch in không được vượt quá 125 ° C (các giá trị điển hình thường được sử dụng có thể khác nhau tùy thuộc vào bảng được chọn). Vì các thành phần được lắp đặt trên bảng mạch in cũng phát ra một số nhiệt có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ hoạt động, nên xem xét các yếu tố này khi lựa chọn vật liệu và thiết kế bảng mạch in. Nhiệt độ điểm nóng không được vượt quá 125 ° C. Chọn một lớp mạ đồng dày hơn nếu có thể.

(2) Trong trường hợp đặc biệt, cơ sở nhôm, gốm sứ và các tấm khác có sức đề kháng nhiệt thấp hơn có thể được chọn.

(3) Việc sử dụng cấu trúc bảng mạch nhiều lớp góp phần vào thiết kế nhiệt của PCB.

3.2 Đảm bảo kênh tản nhiệt thông thoáng

(1) Sử dụng đầy đủ các thành phần sắp xếp, da đồng, mở cửa sổ, lỗ tản nhiệt, vv để thiết lập một kênh cản nhiệt thấp hợp lý và hiệu quả để đảm bảo đầu ra nhiệt trơn tru cho PCB.

(2) Thiết kế thiết lập tản nhiệt qua lỗ Một số lỗ tản nhiệt và lỗ mù có thể làm tăng hiệu quả diện tích tản nhiệt, giảm sức đề kháng nhiệt và cải thiện mật độ năng lượng của bảng mạch. Ví dụ, đặt overhole trên pad của thiết bị LCCC. Trong quá trình sản xuất mạch, hàn sẽ lấp đầy nó để cải thiện độ dẫn nhiệt. Nhiệt được tạo ra trong quá trình làm việc của mạch có thể được truyền nhanh qua lỗ hoặc lỗ mù đến lớp tản nhiệt kim loại hoặc miếng đồng ở mặt sau để tản nhiệt. Trong một số trường hợp cụ thể, bảng mạch có lớp tản nhiệt được thiết kế và sử dụng đặc biệt. Vật liệu tản nhiệt thường là đồng/molypden và các vật liệu khác, chẳng hạn như bảng in được sử dụng trên một số nguồn mô-đun.

(3) Sử dụng vật liệu dẫn nhiệt Để giảm sức đề kháng nhiệt của quá trình dẫn nhiệt, vật liệu dẫn nhiệt được sử dụng trên bề mặt tiếp xúc giữa các thiết bị tiêu thụ điện năng cao và chất nền để cải thiện hiệu quả dẫn nhiệt.

(4) Phương pháp xử lý Đối với một số khu vực được lắp đặt ở cả hai bên của thiết bị, nó có thể dễ dàng gây ra nhiệt độ cao cục bộ. Để cải thiện điều kiện tản nhiệt, một lượng nhỏ đồng có thể được trộn trong dán hàn, các điểm hàn bên dưới thiết bị sau khi hàn trở lại sẽ có chiều cao nhất định. Khoảng cách giữa thiết bị và tấm in tăng lên, tản nhiệt đối lưu tăng lên.

3.3 Yêu cầu sắp xếp thành phần

(1) phân tích nhiệt phần mềm của PCB, thiết kế và kiểm soát sự gia tăng nhiệt độ tối đa bên trong;

(2) Có thể xem xét thiết kế đặc biệt và lắp đặt các bộ phận có nhiệt độ cao và bức xạ cao trên bảng mạch in;

(3) Công suất nhiệt của tấm được phân phối đồng đều. Cẩn thận không đặt các bộ phận công suất cao tập trung. Nếu không thể tránh khỏi, các bộ phận ngắn được đặt ngược dòng của luồng không khí và đảm bảo đủ không khí làm mát chảy qua các khu vực tập trung tiêu thụ nhiệt;

(4) Làm cho đường truyền nhiệt càng ngắn càng tốt;

(5) làm cho mặt cắt truyền nhiệt càng lớn càng tốt;

(6) Các thành phần nên được bố trí để xem xét ảnh hưởng của bức xạ nhiệt đối với các thành phần xung quanh. Các bộ phận nhạy cảm với nhiệt (bao gồm cả các thiết bị bán dẫn) phải tránh xa nguồn nhiệt hoặc cách ly;

(7) (môi trường lỏng) Tụ điện tốt nhất nên tránh xa nguồn nhiệt;

(8) Chú ý đến hướng thông gió cưỡng bức và thông gió tự nhiên;

(9) Các tấm phụ bổ sung và đường dẫn khí của thiết bị giống như hướng thông gió;

(10) Làm cho khoảng cách đủ để hút và xả càng nhiều càng tốt;

(11) Thiết bị sưởi ấm phải được đặt phía trên sản phẩm càng nhiều càng tốt và trong kênh luồng không khí khi điều kiện cho phép;

(12) Các bộ phận có nhiệt độ cao hoặc dòng điện lớn không nên được đặt ở góc và cạnh ngoại vi của tấm in, nên được lắp đặt trên bộ tản nhiệt càng lâu càng tốt, tránh xa các bộ phận khác và đảm bảo kênh tản nhiệt không bị cản trở;

(13) (Thiết bị ngoại vi khuếch đại tín hiệu nhỏ) Cố gắng sử dụng thiết bị có nhiệt độ trôi nhỏ;

(14) Sử dụng càng nhiều khung kim loại hoặc khung để tản nhiệt càng tốt.

3.4 Yêu cầu dây điện

(1) Bảng chọn (cấu trúc bảng in thiết kế hợp lý);

b) Quy tắc nối dây;

(3) Lập kế hoạch chiều rộng kênh tối thiểu theo mật độ hiện tại của thiết bị; Phải đặc biệt chú ý đến việc bố trí đường nối;

(4) Đường dây hiện tại cao phải càng bề mặt càng tốt; Nếu bạn không thể đáp ứng các yêu cầu, bạn có thể xem xét sử dụng thanh cái;

(5) Giảm thiểu sức đề kháng nhiệt của bề mặt tiếp xúc. Do đó, diện tích dẫn nhiệt nên được tăng lên; Bề mặt tiếp xúc phải phẳng và mịn, có thể được sơn nếu cần thiết. Áp dụng dầu dẫn nhiệt;

(6) Xem xét các biện pháp cân bằng căng thẳng tại các điểm căng thẳng nhiệt và làm đậm các đường;

(7) tản nhiệt da đồng cần phải áp dụng phương pháp mở cửa sổ ứng suất tản nhiệt và sử dụng mặt nạ kháng hàn tản nhiệt để mở cửa sổ thích hợp;

(8) Nếu có thể, sử dụng một diện tích lớn của lá đồng trên bề mặt;

(9) lỗ gắn trên mặt đất trên tấm in sử dụng miếng đệm lớn hơn, tận dụng tối đa bu lông gắn và lá đồng trên bề mặt tấm in để tản nhiệt;

(10) Đặt càng nhiều lỗ kim loại càng tốt, khẩu độ và bề mặt đĩa nên càng lớn càng tốt, dựa vào lỗ để giúp tản nhiệt;

(11) cách bổ sung để tản nhiệt thiết bị;

(12) Trong trường hợp diện tích bề mặt lá đồng lớn có thể được sử dụng, vì lý do kinh tế, phương pháp thêm tản nhiệt có thể không được sử dụng;

(13) Dựa trên mức tiêu thụ điện năng của thiết bị, nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ giao cắt tối đa cho phép (nguyên tắc đảm bảo tjâ (0,5 ½ 0,8) tjmax), diện tích lá đồng tản nhiệt bề mặt thích hợp được tính toán.

4. Mô phỏng pcb thiết kế nhiệt (phân tích nhiệt)

Phân tích nhiệt có thể giúp các nhà thiết kế xác định tính chất điện của các thành phần trên PCB và giúp các nhà thiết kế xác định xem các thành phần hoặc PCB có bị cháy do nhiệt độ cao hay không. Phân tích nhiệt đơn giản chỉ tính toán nhiệt độ trung bình của PCB, trong khi phân tích nhiệt phức tạp đòi hỏi phải xây dựng mô hình thoáng qua cho các thiết bị điện tử có chứa nhiều PCB và hàng ngàn thành phần.

Cho dù các nhà phân tích cẩn thận như thế nào trong việc xây dựng các mô hình nhiệt cho các thiết bị điện tử, PCB và linh kiện điện tử, độ chính xác của phân tích nhiệt cuối cùng phụ thuộc vào độ chính xác của mức tiêu thụ điện năng của các thành phần được cung cấp bởi các nhà thiết kế PCB. Trọng lượng và kích thước vật lý là rất quan trọng trong nhiều ứng dụng. Nếu mức tiêu thụ điện năng thực tế của các thành phần nhỏ hơn, hệ số an toàn của thiết kế có thể quá cao, do đó giá trị tiêu thụ điện năng của các thành phần được sử dụng bởi thiết kế PCB không phù hợp với thực tế hoặc quá bảo thủ. Ngược lại, phân tích nhiệt (đồng thời nghiêm trọng hơn) là hệ số an toàn nhiệt được thiết kế quá thấp, tức là nhiệt độ hoạt động thực tế của một thành phần cao hơn dự đoán của nhà phân tích. Loại vấn đề này thường yêu cầu lắp đặt tản nhiệt hoặc quạt để giải quyết. Làm mát PCB. Những phụ kiện bên ngoài này làm tăng chi phí và kéo dài thời gian sản xuất. Thêm quạt vào thiết kế của bạn cũng tạo ra một lớp không ổn định cho độ tin cậy. Do đó, PCB hiện nay chủ yếu sử dụng các phương pháp làm mát chủ động thay vì thụ động (như đối lưu tự nhiên, dẫn điện và tản nhiệt bức xạ), cho phép các yếu tố hoạt động trong phạm vi nhiệt độ thấp hơn. Thiết kế nhiệt kém cuối cùng sẽ làm tăng chi phí và giảm độ tin cậy. Điều này có thể xảy ra với tất cả các thiết kế PCB. Xác định chính xác mức tiêu thụ năng lượng của các thành phần và sau đó thực hiện phân tích nhiệt PCB đòi hỏi một số nỗ lực, điều này sẽ giúp tạo ra một sản phẩm nhỏ gọn và đầy đủ chức năng. Sản phẩm mạnh mẽ. Mô hình nhiệt chính xác và tiêu thụ năng lượng thành phần nên được sử dụng để tránh làm giảm hiệu quả thiết kế PCB.

4.1 Tính toán tiêu thụ điện năng thành phần

Xác định chính xác mức tiêu thụ năng lượng của một thành phần PCB là một quá trình lặp lại. Các nhà thiết kế PCB cần biết nhiệt độ thành phần để xác định tổn thất điện năng, trong khi các nhà phân tích nhiệt cần biết tổn thất điện năng để đưa nó vào mô hình nhiệt. Nhà thiết kế bắt đầu bằng cách đoán nhiệt độ môi trường làm việc của thành phần hoặc ước tính từ phân tích nhiệt sơ bộ và nhập mức tiêu thụ năng lượng của thành phần vào mô hình nhiệt chi tiết để tính toán nhiệt độ "nút" (hoặc điểm nóng) của PCB và các thành phần liên quan. Bước thứ hai tính toán lại mức tiêu thụ năng lượng của thành phần bằng cách sử dụng nhiệt độ mới, với mức tiêu thụ năng lượng tính toán được sử dụng làm đầu vào cho quá trình phân tích nhiệt tiếp theo. Trong trường hợp lý tưởng, quá trình này tiếp tục cho đến khi giá trị không còn thay đổi.

Tuy nhiên, các nhà thiết kế PCB thường phải đối mặt với áp lực phải hoàn thành nhiệm vụ một cách nhanh chóng và họ không có đủ thời gian cho các công việc tốn thời gian và lặp đi lặp lại để xác định tính chất điện và nhiệt của các thành phần. Một cách đơn giản để làm điều này là ước tính tổng mức tiêu thụ điện năng của PCB là một dòng nhiệt đồng nhất tác động lên toàn bộ bề mặt PCB. Phân tích nhiệt có thể dự đoán nhiệt độ môi trường trung bình, cho phép các nhà thiết kế tính toán mức tiêu thụ điện năng của các thành phần và xem liệu có cần phải thực hiện các công việc khác bằng cách tính toán lại nhiệt độ của các thành phần hay không.

Các nhà sản xuất linh kiện điện tử nói chung cung cấp thông số kỹ thuật linh kiện, bao gồm nhiệt độ tối đa để hoạt động bình thường. Hiệu suất của một thành phần thường bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc nhiệt độ bên trong thành phần. Các thiết bị điện tử tiêu dùng thường sử dụng các thành phần đóng gói bằng nhựa với nhiệt độ hoạt động tối đa 85 độ C; Trong khi các sản phẩm công nghiệp quân sự thường sử dụng các bộ phận gốm có nhiệt độ hoạt động cao nhất là 125 độ C và nhiệt độ định mức cao nhất thường là 105 ° C. Các nhà thiết kế PCB có thể sử dụng đường cong "nhiệt độ/công suất" do nhà sản xuất thiết bị cung cấp để xác định mức tiêu thụ năng lượng của một thành phần ở nhiệt độ cụ thể.

Cách chính xác nhất để tính toán nhiệt độ của một thành phần là thực hiện phân tích nhiệt thoáng qua, nhưng rất khó để xác định mức tiêu thụ điện năng tức thời của một thành phần.

Một thỏa hiệp tốt hơn là phân tích tình huống xấu nhất và xếp hạng tương ứng trong điều kiện trạng thái ổn định. PCB bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiệt. Các điều kiện ranh giới nhiệt điển hình có thể được áp dụng bao gồm:

Đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức từ các bề mặt phía trước và phía sau;

Bức xạ nhiệt từ các bề mặt trước và sau;

dẫn từ cạnh của PCB đến vỏ thiết bị;

dẫn đến PCB khác thông qua đầu nối cứng hoặc linh hoạt;

dẫn từ PCB đến giá đỡ (bu lông hoặc cố định keo);

Dẫn tản nhiệt giữa 2 lớp sandwich PCB.