Tecniche di analisi termica e progettazione termica dei PCB

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Tecniche di analisi termica e progettazione termica dei PCB

1. Fonte di calore del PCB

Oltre al lavoro utile, una parte della potenza consumata dall'alimentatore durante il funzionamento viene convertita in calore. Il calore generato dall'alimentatore provoca un rapido aumento della temperatura interna. Se il calore non viene dissipato in tempo, la temperatura continuerà ad aumentare, i componenti si guasteranno a causa del surriscaldamento e l'affidabilità dell'adattatore di alimentazione diminuirà. SMT aumenta la densità di montaggio dei componenti dell'adattatore di alimentazione, riduce l'effettiva area di dissipazione del calore e l'aumento della temperatura dell'adattatore di alimentazione influisce seriamente sull'affidabilità. Pertanto, la ricerca sulla progettazione termica del PCB dell'adattatore di alimentazione è molto importante. La causa diretta dell'aumento della temperatura del PCB dell'adattatore di alimentazione è dovuta alla presenza di componenti di alimentazione del circuito, i componenti elettronici hanno diversi gradi di consumo energetico e l'intensità del calore varia con il consumo energetico. I due fenomeni di aumento della temperatura nei PCB sono: 1 aumento della temperatura locale o aumento della temperatura di un'ampia area; 2 aumento della temperatura per un breve periodo o aumento della temperatura per un lungo periodo.

Ci sono tre principali fonti di calore nella scheda PCB dell'adattatore di alimentazione: il calore dei componenti elettronici, il calore della scheda stessa e il calore proveniente da altre parti. Tra le tre fonti di calore, il componente genera la maggiore quantità di calore, che è la principale fonte di calore, seguito dal calore generato dal PCB. L'apporto di calore esterno dipende dalla progettazione termica complessiva dell'adattatore di alimentazione.

La generazione di calore dei componenti è determinata dal loro consumo energetico. Pertanto, i componenti a basso consumo energetico dovrebbero essere selezionati innanzitutto nella progettazione per ridurre al minimo la generazione di calore. La seconda è l'impostazione del punto di lavoro del componente. In generale, dovrebbe essere selezionato entro il range di funzionamento nominale. Quando si lavora in questo intervallo, le prestazioni sono buone, il consumo energetico è ridotto e la durata è lunga. Il dispositivo di alimentazione stesso genera una grande quantità di calore e deve essere progettato in modo da evitare il funzionamento a pieno carico. Per i dispositivi ad alta potenza, dovrebbe essere implementato il principio del declassamento della progettazione e la ricchezza del design dovrebbe essere opportunamente aumentata, il che è vantaggioso per aumentare la stabilità, l'affidabilità e la generazione di calore dell'adattatore di alimentazione.

Il PCB è composto da un conduttore in rame e da un materiale dielettrico isolante e generalmente si ritiene che il materiale dielettrico isolante non generi calore. Il conduttore di rame ha una resistenza dovuta al rame stesso. Quando la corrente passa, genererà calore. Quando viene fatta passare una piccola corrente di mA (milliampere) e μA (microampere), il problema del riscaldamento è trascurabile, ma quando la corrente è elevata (100 mA o più) quando si passa, non è possibile ignorarla. Vale la pena notare che quando la temperatura del conduttore di rame sale a 85 gradi C, il materiale isolante stesso inizia a ingiallire, la corrente continua a passare e alla fine il conduttore di rame si brucia. In particolare, il conduttore di rame nello strato interno del PCB multistrato è circondato da una resina con scarsa conduttività termica e la dissipazione del calore è difficile, quindi la temperatura inevitabilmente aumenta, quindi è necessario prestare particolare attenzione alla progettazione della larghezza della linea del rame conduttore. Infatti, quando si progetta il layout del PCB, la larghezza della traccia è determinata principalmente dall'ambiente di generazione e dissipazione del calore. L'area della sezione trasversale del conduttore di rame determina la resistenza del filo (la perdita di segnale causata dalla resistenza della linea nel circuito digitale è trascurabile) e la conduttività termica del conduttore di rame e del substrato isolante influisce sull'aumento di temperatura, che a sua volta determina la capacità di carico di corrente. Ad esempio, l'area della sezione trasversale del conduttore di rame è costante. Quando il valore di corrente consentito è 2 A e il valore di aumento della temperatura è inferiore a 10 gradi C, la larghezza della linea deve essere progettata per essere 2 mm per il foglio di rame da 35 μm e 1 mm per il foglio di rame da 70 μm. . Si può concludere che quando l'area della sezione trasversale, la corrente ammissibile e il valore di aumento della temperatura del conduttore di rame sono costanti, i requisiti di dissipazione del calore possono essere soddisfatti da due aspetti: aumentando lo spessore del foglio di rame o aumentando la larghezza della linea del conduttore di rame. conduttore di rame.

2. Analisi termica del circuito

L'analisi termica del circuito è divisa in tre fasi: prima stima del calore generato nel componente, quindi stima del calore emesso dal PCB o dal dissipatore di calore e infine stima della temperatura ambiente alla quale funzionerà il componente. Il PCB o il dissipatore di calore dissiperanno il calore del componente per convezione, conduzione o irraggiamento. La dissipazione del calore conduttivo avviene principalmente attraverso la conduzione del calore del telaio conduttore metallico del chip del dispositivo di potenza e del foglio di rame sul PCB. Una volta che la lamina di rame del PCB o il dissipatore di calore discreto conducono il calore, forniscono un'area superficiale sufficientemente ampia per la dissipazione del calore convettivo per dissipare il calore nell'aria.

Ci sono anche alcune difficoltà nella dissipazione del calore per convezione. A temperature elevate, la resistenza termica aumenta. Per questo motivo la resistenza termica viene utilizzata come parametro di analisi termica. Se nei dati del componente è indicata la resistenza termica Rja dalla giunzione verso l'esterno, il valore indica l'aumento di temperatura quando il componente non è collegato al dissipatore di calore o non è saldato al PCB. La resistenza termica chiave nella progettazione termica è la resistenza termica Rjb dal chip al PCB e la resistenza termica Rjc dal chip alla superficie del package. Rja può essere misurato con due PCB standard JEDEC, uno per PCB a lato singolo e l'altro per PCB multistrato. Se si dispone delle specifiche Rjb e Rjc è possibile stimare il reale aumento di temperatura del componente. Quando si misura Rja, non ci sono altri chip sul PCB. Quando intorno ai componenti sono presenti alimentatori e altri chip che dissipano il calore e quando il PCB si trova in un case di plastica senza ventola con spazio limitato, l'aumento di temperatura effettivo sarà superiore alla misurazione Rja. Il valore è dovuto al fatto che la superficie superiore dell'involucro di plastica della maggior parte dei componenti non trasmette quasi calore. La conduttività termica della resina epossidica è 0,6 ~ 1 W/(m · K) (watt per metro Kelvin), mentre la conduttività termica del rame è 400 W/(m · K). Pertanto, la conduttività termica del rame è da 400 a 600 volte superiore a quella della plastica.

Il passaggio finale dell'analisi termica è stimare la temperatura ambiente, che è importante. Ad esempio, la temperatura dell'aria del laboratorio è di 25 gradi C e il chip sul banco funziona a 50 gradi C. Quando questi chip vengono posizionati a una temperatura ambiente di 50 gradi C, la temperatura del chip raggiungerà 75 gradi C. Tuttavia , nella stima del gradino di temperatura ambiente, a volte è impossibile determinare le condizioni ambientali in cui il componente può funzionare.

Quando si analizza il consumo di energia termica del PCB, viene generalmente analizzato dai seguenti aspetti.

(1) Consumo di energia elettrica, ovvero il consumo di energia per unità di area del PCB e il consumo di energia sul PCB.

(2) La struttura del PCB, ovvero le dimensioni e il materiale del PCB.

(3) Metodo di montaggio del PCB (come installazione verticale, installazione orizzontale), condizioni di tenuta e distanza dall'alloggiamento.

(4) Radiazione termica, ovvero l'emissività della superficie del PCB, la differenza di temperatura tra il PCB e la superficie adiacente e la loro temperatura assoluta.

(5) Conduzione del calore, ovvero la conduzione del radiatore e di altri componenti strutturali di montaggio.

(6) Convezione termica, ovvero convezione naturale e convezione forzata di raffreddamento.

L'analisi dei fattori di cui sopra è un modo efficace per risolvere l'aumento della temperatura del PCB. Spesso in un prodotto e in un sistema questi fattori sono interconnessi e dipendenti. La maggior parte dei fattori dovrebbero essere analizzati in base alla situazione reale. Solo per una determinata situazione reale è possibile calcolare o stimare correttamente parametri come l'aumento della temperatura e il consumo energetico.

3. Requisiti di base per la progettazione termica del PCB

Quando si progetta un PCB, in particolare per la progettazione di PCB a montaggio superficiale, è necessario considerare innanzitutto il problema della corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica del materiale. Esistono tre tipi di substrati del pacchetto per i componenti: substrato del pacchetto organico rigido, substrato del pacchetto organico flessibile e substrato del pacchetto ceramico. Il substrato è confezionato mediante quattro metodi: tecnologia di stampaggio, tecnologia di ceramica stampata, tecnologia di ceramica laminata e plastica laminata. I materiali utilizzati per il substrato sono principalmente resina epossidica ad alta temperatura, resina BT, poliimmide, ceramica e vetro refrattario. Questi materiali hanno resistenza alle alte temperature e bassi coefficienti di dilatazione termica nelle direzioni X e Y. Quando si seleziona il materiale PCB, è necessario comprendere la forma dell'imballaggio del componente e il materiale del substrato e considerare l'intervallo di variazione della temperatura del processo di saldatura del componente. Selezionare il substrato con il coefficiente di dilatazione termica in modo che corrisponda allo stress termico causato dalla differenza nel coefficiente di dilatazione termica del materiale. .

Molti componenti utilizzano un substrato del pacchetto ceramico, il suo coefficiente di espansione termica è tipicamente (5 ~ 7) × 10-6 / grado C, il coefficiente di espansione termica del supporto del chip ceramico senza piombo LCCC è (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / grado . Alcuni substrati dei componenti utilizzano gli stessi materiali di alcuni substrati PCB, come PI, BT e resina epossidica resistente al calore. Quando si seleziona il substrato del PCB, il coefficiente di dilatazione termica del substrato dovrebbe essere considerato il più vicino possibile al coefficiente di dilatazione termica del materiale del substrato del componente.

Il conduttore del PCB subisce un aumento di temperatura dovuto al passaggio della corrente e la temperatura ambiente non deve superare i 125 gradi C (i valori tipici sono comuni, a seconda del substrato selezionato). Poiché i componenti sono montati sul PCB ed emettono anche una parte del calore che influisce sulla temperatura operativa del PCB, questi fattori dovrebbero essere considerati quando si seleziona il materiale e il design del PCB. La temperatura del punto caldo non deve superare i 125 gradi. Il substrato del PCB dovrebbe essere selezionato con un foglio di rame il più spesso possibile. In casi speciali, è possibile selezionare un substrato con una piccola resistenza termica come una base in alluminio o una base in ceramica, e anche la struttura multistrato contribuisce alla progettazione termica del PCB.

I substrati PCB attualmente ampiamente utilizzati sono substrati in tessuto di vetro epossidico rivestito in rame o substrati in tessuto di vetro in resina fenolica e una piccola quantità di substrati rivestiti in rame a base di carta. Sebbene questi substrati abbiano eccellenti proprietà elettriche e proprietà di lavorazione, hanno una scarsa dissipazione del calore. Come mezzo di dissipazione del calore per componenti ad alta generazione di calore, difficilmente si prevede che conduca il calore dalla resina del PCB stesso, ma che dissipi il calore dalla superficie dei componenti all'aria circostante. Tuttavia, poiché i prodotti elettronici entrano nell’era della miniaturizzazione, del montaggio ad alta densità e dell’assemblaggio ad alto calore, non è sufficiente dissipare il calore su una superficie del componente molto piccola. Allo stesso tempo, a causa del gran numero di componenti a montaggio superficiale come QFP e BGA, il calore generato dai componenti viene trasferito al PCB in grandi quantità. Pertanto, il modo migliore per risolvere il problema della dissipazione del calore è migliorare la capacità di dissipazione del calore del PCB stesso a diretto contatto con i componenti che generano calore. Il PCB viene condotto o emesso.

4. Progettazione termica del PCB

Ci sono tre misure nella progettazione termica del PCB: riduzione della potenza, dissipazione del calore e layout. La riduzione del calore non consiste nel generare calore; la dissipazione del calore consiste nel condurre o dissipare il calore, che non influisce sui componenti; la disposizione prevede che se il calore non viene dissipato, i componenti sensibili al calore possono essere isolati mediante disposizione. Ridurre i consumi è la soluzione più fondamentale. Esistono due approcci principali al declassamento e alla progettazione a basso consumo, ma devono essere analizzati in combinazione con progetti specifici. Quando si selezionano i componenti, provare a utilizzare componenti con piccola generazione di calore, come resistori a chip, resistori a filo avvolto (meno resistori a film di carbonio), condensatori monolitici, condensatori al tantalio (meno condensatori di carta), MOS, circuiti CMOS (meno utilizzati) a tubo), dispositivi a montaggio superficiale, ecc. Oltre alla selezione di componenti a basso consumo, una delle soluzioni è anche la compensazione della temperatura e il controllo di alcuni componenti speciali sensibili alla temperatura.

Il declassamento deve considerare il modo di ridurre i consumi. Supponiamo che un filo sottile sia nominalmente in grado di far passare 10 A di corrente. La corrente genera più calore su di esso e il filo viene ispessito per aumentare il margine. Nominalmente viene fatto passare attraverso 20A. Quando la corrente passa attraverso 10 A, la perdita di calore dovuta alla resistenza interna viene ridotta e il calore è ridotto. Inoltre, a causa del design di declassamento, quando la temperatura ambiente aumenta, nel caso in cui le prestazioni del componente siano ridotte, a causa del margine, anche se le prestazioni sono ridotte, il requisito può essere soddisfatto. Nelle condizioni date, quando la temperatura dei componenti nel circuito supera la temperatura garantita dall'affidabilità, dovrebbero essere adottate misure appropriate di dissipazione del calore per abbassare la temperatura fino all'intervallo di funzionamento dell'affidabilità, che è l'obiettivo finale della progettazione termica.

La dissipazione del calore è il contenuto principale della progettazione termica del PCB. Per i PCB esistono tre tipi fondamentali di dissipazione del calore: conduzione termica, convezione e radiazione. La conduzione termica e la convezione sono i principali mezzi di dissipazione del calore. Il modo comune di dissipare il calore è utilizzare un dissipatore di calore per condurre il calore dalla fonte di calore e dissiparlo mediante convezione dell'aria. La radiazione è l'uso delle onde elettromagnetiche nello spazio per dissipare il calore, che ha una piccola quantità di dissipazione del calore e viene solitamente utilizzata come mezzo ausiliario di dissipazione del calore.

Lo scopo della progettazione termica del PCB è adottare misure e metodi adeguati per ridurre la temperatura dei componenti e la temperatura del PCB, in modo che il sistema funzioni correttamente alla giusta temperatura. Dal punto di vista della facilitazione della dissipazione del calore, il PCB è preferibilmente montato in posizione verticale e la distanza tra PCB e PCB generalmente non è inferiore a 2 cm.