تجزیه و تحلیل حرارتی PCB و تکنیک های طراحی حرارتی

Shenzhen Shenchuang Hi-Tech Electronics Co., Ltd (SChitec) یک شرکت فناوری پیشرفته است که در تولید و فروش لوازم جانبی تلفن تخصص دارد. محصولات اصلی ما شامل شارژر مسافرتی، شارژر ماشین، کابل USB، پاور بانک و سایر محصولات دیجیتال است. همه محصولات ایمن و قابل اعتماد هستند، با سبک های منحصر به فرد. , اگر علاقه مند هستید، می توانید مستقیماً با ceo@schitec.com تماس بگیرید.

با Schitec در شارژ ایمن بمانید

تجزیه و تحلیل حرارتی PCB و تکنیک های طراحی حرارتی

1. منبع حرارت PCB

علاوه بر کار مفید، بخشی از برق مصرفی آداپتور برق در حین کار به گرما تبدیل می شود. گرمای تولید شده توسط آداپتور برق باعث می شود دمای داخلی به سرعت افزایش یابد. اگر گرما به موقع از بین نرود، دما همچنان افزایش می یابد و قطعات به دلیل گرمای بیش از حد از کار می افتند و قابلیت اطمینان آداپتور برق کاهش می یابد. SMT چگالی نصب اجزای آداپتور برق را افزایش می دهد، ناحیه اتلاف گرمای موثر را کاهش می دهد و افزایش دمای آداپتور برق به طور جدی بر قابلیت اطمینان تأثیر می گذارد. بنابراین، تحقیق در مورد طراحی حرارتی PCB آداپتور برق بسیار مهم است. علت مستقیم افزایش دمای PCB آداپتور برق به دلیل وجود قطعات برق مدار است، قطعات الکترونیکی درجات مصرف برق متفاوتی دارند و شدت گرما با مصرف برق متفاوت است. دو پدیده افزایش دما در PCB عبارتند از: 1 افزایش دمای محلی یا افزایش دمای منطقه بزرگ. 2 افزایش دمای کوتاه مدت یا افزایش طولانی مدت دما.

سه منبع اصلی گرما در PCB آداپتور برق وجود دارد: گرمای قطعات الکترونیکی، گرمای خود PCB و گرمای سایر قطعات. در بین سه منبع گرما، جزء بیشترین مقدار گرما را تولید می کند که منبع اصلی گرما است و به دنبال آن گرمای تولید شده توسط PCB قرار می گیرد. ورودی گرمای خارجی به طراحی حرارتی کلی آداپتور برق بستگی دارد.

تولید گرمای قطعات با مصرف برق آنها تعیین می شود. بنابراین، قطعات با مصرف برق کم باید در ابتدا در طراحی انتخاب شوند تا تولید گرما به حداقل برسد. مورد دوم تنظیم نقطه کار قطعه است. به طور کلی، باید در محدوده کاری رتبه بندی شده خود انتخاب شود. هنگام کار در این محدوده، عملکرد خوب است، مصرف برق کم است و عمر مفید طولانی است. دستگاه قدرت خود مقدار زیادی گرما تولید می کند و باید طوری طراحی شود که از عملیات بار کامل جلوگیری کند. برای دستگاه های پرقدرت، اصل طراحی درجه بندی باید اجرا شود، و غنای طراحی باید به طور مناسب افزایش یابد، که برای افزایش پایداری، قابلیت اطمینان و تولید گرما آداپتور برق مفید است.

PCB از یک هادی مسی و یک ماده دی الکتریک عایق تشکیل شده است و به طور کلی در نظر گرفته می شود که ماده دی الکتریک عایق حرارت تولید نمی کند. هادی مسی به دلیل خود مس دارای مقاومت است. هنگامی که جریان عبور می کند، گرما تولید می کند. هنگامی که جریان کمی از mA (میلی آمپر) و μA (میکرو آمپر) عبور می کند، مشکل گرمایش ناچیز است، اما زمانی که جریان بالا باشد (100 میلی آمپر یا بیشتر) وقتی عبور می کنید، نمی توانید آن را نادیده بگیرید. شایان ذکر است که هنگامی که دمای هادی مسی به 85 درجه سانتیگراد می رسد، خود ماده عایق شروع به زرد شدن می کند، جریان به عبور ادامه می دهد و در نهایت هادی مسی دمیده می شود. به طور خاص، هادی مسی در لایه داخلی PCB چند لایه توسط رزینی احاطه شده است که رسانایی حرارتی ضعیفی دارد و اتلاف گرما دشوار است، بنابراین دما به ناچار افزایش می‌یابد، بنابراین باید توجه ویژه‌ای به طراحی عرض خط مس شود. رهبر ارکستر. در واقع، هنگام طراحی طرح PCB، عرض ردیابی عمدتاً توسط محیط تولید گرما و اتلاف گرما تعیین می شود. سطح مقطع هادی مسی مقاومت سیم را تعیین می کند (از دست دادن سیگنال ناشی از مقاومت خط در مدار دیجیتال ناچیز است) و هدایت حرارتی هادی مسی و زیرلایه عایق بر افزایش دما تأثیر می گذارد که به نوبه خود بر افزایش دما تأثیر می گذارد. ظرفیت حمل فعلی را تعیین می کند. برای مثال سطح مقطع هادی مسی ثابت است. هنگامی که مقدار مجاز جریان 2A و مقدار افزایش دما کمتر از 10 درجه سانتیگراد است، عرض خط باید 2 میلی متر برای فویل مسی 35 میکرومتر و 1 میلی متر برای فویل مس 70 میکرومتر طراحی شود. . می توان نتیجه گرفت که زمانی که سطح مقطع، جریان مجاز و مقدار افزایش دمای هادی مسی ثابت باشد، نیاز اتلاف حرارت را می توان از دو جنبه افزایش ضخامت ورق مسی یا افزایش عرض خط مسی برآورده کرد. هادی مسی

2. آنالیز حرارتی مدار

تجزیه و تحلیل حرارتی مدار به سه مرحله تقسیم می شود: ابتدا تخمین گرمای تولید شده در قطعه، سپس تخمین گرمای منتشر شده توسط PCB یا هیت سینک و در نهایت تخمین دمای محیطی که قطعه در آن کار خواهد کرد. PCB یا هیت سینک گرمای قطعه را با همرفت، هدایت یا تشعشع از بین می برد. اتلاف گرمای رسانا عمدتاً از طریق هدایت حرارتی قاب فلزی تراشه‌ای دستگاه قدرت و فویل مس روی PCB است. هنگامی که فویل مسی PCB یا هیت سینک گسسته گرما را هدایت می کند، سطح به اندازه کافی بزرگ برای اتلاف گرمای همرفتی برای پخش گرما در هوا فراهم می کند.

همچنین برخی از مشکلات در اتلاف گرمای همرفتی وجود دارد. در دماهای بالا، مقاومت حرارتی افزایش می یابد. به همین دلیل از مقاومت حرارتی به عنوان پارامتر آنالیز حرارتی استفاده می شود. اگر مقاومت حرارتی Rja از محل اتصال به خارج در داده های قطعه داده شود، این مقدار نشان دهنده افزایش دما در زمانی است که قطعه به هیت سینک متصل نیست یا به PCB لحیم نشده است. مقاومت حرارتی کلیدی در طراحی حرارتی، مقاومت حرارتی Rjb از تراشه به PCB و مقاومت حرارتی Rjc از تراشه به سطح بسته بندی است. Rja را می توان با دو PCB استاندارد JEDEC اندازه گیری کرد، یکی برای PCB یک طرفه و دیگری برای PCB چند لایه. اگر مشخصات Rjb و Rjc دارید، می توانید افزایش دمای واقعی قطعه را تخمین بزنید. هنگام اندازه گیری Rja، هیچ تراشه دیگری روی PCB وجود ندارد. هنگامی که منابع تغذیه و سایر تراشه های دفع کننده حرارت در اطراف قطعات وجود دارد، و هنگامی که PCB در یک جعبه پلاستیکی بدون فن با فضای محدود قرار دارد، افزایش دمای واقعی بالاتر از اندازه گیری Rja خواهد بود. ارزش به این دلیل است که سطح بالایی بسته بندی پلاستیکی اکثر اجزا تقریباً هیچ گرمایی را منتقل نمی کند. هدایت حرارتی رزین اپوکسی 0.6 ~ 1W / (m · K) (وات بر متر کلوین) است، در حالی که هدایت حرارتی مس 400W / (m · K) است. بنابراین هدایت حرارتی مس 400 تا 600 برابر بیشتر از پلاستیک است.

مرحله نهایی در تجزیه و تحلیل حرارتی تخمین دمای محیط است که بسیار مهم است. به عنوان مثال دمای هوای آزمایشگاه 25 درجه سانتیگراد و تراشه روی نیمکت در دمای 50 درجه سانتیگراد کار می کند. وقتی این تراشه ها در دمای 50 درجه سانتیگراد قرار می گیرند دمای تراشه به 75 درجه سانتیگراد می رسد. ، در تخمین مرحله دمای محیط، گاهی اوقات تعیین شرایط محیطی که ممکن است قطعه در آن کار کند غیرممکن است.

هنگام تجزیه و تحلیل مصرف برق حرارتی PCB، به طور کلی از جنبه های زیر تجزیه و تحلیل می شود.

(1) مصرف برق، یعنی مصرف برق در واحد سطح PCB و مصرف برق روی PCB.

(2) ساختار PCB، یعنی اندازه و مواد PCB.

(3) روش نصب PCB (مانند نصب عمودی، نصب افقی)، وضعیت آب بندی و فاصله از محفظه.

(4) تابش حرارتی، یعنی گسیل سطح PCB، اختلاف دمای بین PCB و سطح مجاور و دمای مطلق آنها.

(5) هدایت گرما، یعنی هدایت رادیاتور و سایر اجزای ساختاری نصب.

(6) همرفت حرارتی، یعنی همرفت طبیعی و همرفت خنک کننده اجباری.

تجزیه و تحلیل عوامل فوق یک راه موثر برای حل افزایش دمای PCB است. اغلب در یک محصول و سیستم، این عوامل به هم مرتبط و وابسته هستند. بیشتر عوامل را باید با توجه به وضعیت واقعی تحلیل کرد. فقط برای یک موقعیت واقعی خاص می توان پارامترهایی مانند افزایش دما و مصرف برق را به درستی محاسبه یا تخمین زد.

3. الزامات اساسی برای طراحی حرارتی PCB

هنگام طراحی PCB، به ویژه برای طراحی PCB نصب روی سطح، ابتدا باید مشکل تطبیق ضریب انبساط حرارتی ماده در نظر گرفته شود. سه نوع بستر بسته بندی برای اجزا وجود دارد: بستر بسته بندی ارگانیک سفت و سخت، بستر بسته بندی آلی انعطاف پذیر و بستر بسته بندی سرامیکی. بستر به چهار روش بسته بندی می شود: فناوری قالب گیری، فناوری قالب گیری سرامیک، فناوری سرامیک چند لایه و پلاستیک چند لایه. مواد مورد استفاده برای زیرلایه عمدتاً رزین اپوکسی با دمای بالا، رزین BT، پلی آمید، سرامیک و شیشه نسوز است. این مواد دارای مقاومت دمایی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین در جهت X و Y هستند. هنگام انتخاب مواد PCB، باید فرم بسته بندی جزء و مواد زیرلایه را درک کنید و دامنه تغییرات دمایی فرآیند لحیم کاری اجزا را در نظر بگیرید. بستری را با ضریب انبساط حرارتی انتخاب کنید تا با تنش حرارتی ناشی از اختلاف ضریب انبساط حرارتی ماده مطابقت داشته باشد. .

بسیاری از اجزا از بستر بسته بندی سرامیکی استفاده می کنند، ضریب انبساط حرارتی آن معمولاً (5 ~ 7) × 10-6 / درجه سانتی گراد است، ضریب انبساط حرارتی حامل تراشه سرامیکی بدون سرب LCCC (3.5 ~ 7 ~ 8) × {{7 است. }} / درجه . برخی از زیرلایه های اجزاء از مواد مشابه برخی از بسترهای PCB مانند PI، BT و اپوکسی مقاوم در برابر حرارت استفاده می کنند. هنگام انتخاب بستر PCB، ضریب انبساط حرارتی زیرلایه باید تا حد امکان نزدیک به ضریب انبساط حرارتی ماده زیرلایه جزء در نظر گرفته شود.

هادی PCB افزایش دما به دلیل جریان عبوری است و دمای محیط نباید از 125 درجه سانتیگراد تجاوز کند (مقادیر معمولی هستند، بسته به بستر انتخاب شده). از آنجایی که قطعات بر روی PCB نصب می شوند و همچنین بخشی از گرما را منتشر می کنند که بر دمای کارکرد PCB تأثیر می گذارد، این عوامل باید هنگام انتخاب مواد PCB و طراحی PCB در نظر گرفته شوند. دمای نقطه داغ نباید از 125 درجه تجاوز کند. بستر PCB باید تا حد امکان با یک فویل مسی ضخیم‌تر انتخاب شود. در موارد خاص می توان بستری با مقاومت حرارتی کوچک مانند پایه آلومینیومی یا پایه سرامیکی انتخاب کرد و ساختار چند لایه نیز به طراحی حرارتی PCB کمک می کند.

بسترهای PCB که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرلایه‌های پارچه شیشه‌ای اپوکسی با روکش مس یا زیرلایه‌های پارچه شیشه‌ای رزین فنولیک و مقدار کمی زیرلایه‌های با روکش مسی مبتنی بر کاغذ هستند. اگرچه این بسترها دارای خواص الکتریکی و خواص پردازشی عالی هستند، اما اتلاف حرارت ضعیفی دارند. به‌عنوان وسیله‌ای اتلاف گرما برای اجزای مولد حرارت بالا، به سختی انتظار می‌رود که گرما را از رزین PCB خود هدایت کند، اما گرما را از سطح قطعات به هوای اطراف پخش کند. با این حال، با ورود محصولات الکترونیکی به دوران کوچک سازی، نصب با چگالی بالا و مونتاژ با حرارت بالا، دفع گرما توسط یک سطح بسیار کوچک جزء کافی نیست. در عین حال، به دلیل تعداد زیاد قطعات نصب سطحی مانند QFP و BGA، گرمای تولید شده توسط قطعات به مقدار زیادی به PCB منتقل می شود. بنابراین، بهترین راه برای حل اتلاف گرما، بهبود قابلیت اتلاف حرارت خود PCB در تماس مستقیم با اجزای مولد حرارت است. PCB خارج یا منتشر می شود.

4. طراحی حرارتی PCB

سه معیار در طراحی حرارتی PCB وجود دارد: کاهش توان، اتلاف گرما و چیدمان. کاهش گرما برای تولید گرما نیست. اتلاف گرما برای هدایت یا اتلاف گرما است که بر اجزاء تأثیر نمی گذارد. طرح به این صورت است که اگر گرما از بین نرود، اجزای حساس به گرما را می توان با چیدمان جدا کرد. کاهش مصرف اساسی ترین راه حل است. دو رویکرد اصلی برای طراحی درجه بندی و کم مصرف وجود دارد، اما آنها باید در ترکیب با طرح های خاص مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند. هنگام انتخاب قطعات، سعی کنید از قطعاتی با تولید حرارت کم استفاده کنید، مانند مقاومت های تراشه، مقاومت های سیمی (مقاومت با فیلم کربن کمتر)، خازن های یکپارچه، خازن های تانتالیوم (خازن های کاغذ کمتر)، مدارهای MOS، CMOS (کمتر استفاده شده) دستگاه های نصب سطحی و ... علاوه بر انتخاب قطعات کم مصرف، جبران دما و کنترل برخی از قطعات ویژه حساس به دما نیز یکی از راه حل ها می باشد.

کاهش مصرف نیاز به در نظر گرفتن راه های کاهش مصرف دارد. فرض کنید یک سیم نازک به طور اسمی قادر به عبور 10 آمپر جریان است. جریان حرارت بیشتری روی آن ایجاد می کند و سیم ضخیم می شود تا حاشیه افزایش یابد. اسماً از 20A عبور داده می شود. هنگامی که جریان از 10A عبور می کند، اتلاف حرارت ناشی از مقاومت داخلی کاهش می یابد و گرما کم است. علاوه بر این، به دلیل طراحی درجه بندی، زمانی که دمای محیط افزایش می یابد، در موردی که عملکرد جزء کاهش می یابد، به دلیل حاشیه، حتی اگر عملکرد کاهش یابد، می توان نیاز را برآورده کرد. تحت شرایط داده شده، زمانی که دمای اجزای مدار از دمای تضمین شده قابلیت اطمینان بالاتر می رود، باید اقدامات اتلاف حرارت مناسب برای کاهش دما تا محدوده کاری قابلیت اطمینان انجام شود که هدف نهایی طراحی حرارتی است.

اتلاف گرما محتوای اصلی طراحی حرارتی PCB است. برای PCBها، سه نوع اصلی اتلاف گرما وجود دارد: هدایت حرارتی، همرفت و تابش. رسانش حرارتی و همرفت وسیله اصلی اتلاف گرما هستند. روش متداول دفع گرما استفاده از هیت سینک برای هدایت گرما از منبع گرما و دفع آن توسط همرفت هوا است. تابش استفاده از امواج الکترومغناطیسی در فضا برای دفع گرما است که مقدار کمی اتلاف گرما دارد و معمولاً به عنوان وسیله کمکی برای دفع گرما استفاده می شود.

هدف از طراحی حرارتی PCB انجام اقدامات و روش های مناسب برای کاهش دمای قطعات و دمای PCB است تا سیستم در دمای مناسب به درستی کار کند. از منظر تسهیل اتلاف گرما، PCB ترجیحاً به صورت عمودی نصب می شود و فاصله بین PCB و PCB معمولاً کمتر از 2 سانتی متر نیست.