De meest uitgebreide principes van thermisch ontwerp voor PCB's

Geschat wordt dat meer dan de helft van elektronische componenten het begeeft als gevolg van hoge stress als gevolg van thermische omgevingen. De afgelopen jaren zijn wij getuige geweest van brede apparaten met grootschalige en hyperschaal geïntegreerde schakelingen (IC's) en oppervlaktemontagetechnologie (SMT) en elektronische producten die ontwikkelingsrichtingen beginnen te omarmen in de richting van miniaturisatie, hoge dichtheid en hoge betrouwbaarheid. Dienovereenkomstig vragen elektronische systemen steeds hogere eisen aan thermische prestaties. Immers, geboren met de komst van elektronische producten, speelt thermisch beheer een cruciale rol bij het bepalen van de prestaties en functies van elektronische systemen.

Als ruggengraat van elektronische apparaten zorgt een rationeel ontwerp van PCB's (Printed Circuit Boards) voor hun hoge prestaties. Als het PCB-ontwerp gedeeltelijk of zelfs helemaal niet aan de thermische vereisten voldoet, zullen elektronische apparaten zeker schade oplopen of zelfs falen. Voortdurend groeiende integriteit van circuitmodules en massale toepassingen van IC's en multi-chipmodule (MCM) dragen bij aan de verbetering van de dichtheid van de componentenassemblage, wat vervolgens leidt tot een hogere dichtheid van de warmtestroom op PCB's. Hoogwaardige PCB's komen niet alleen voort uit een nauwkeurige en rationele lay-out en routering, maar vertrouwen ook op een hoge thermische betrouwbaarheid voor een veilige werking. Daarom is het van groot belang om uitgebreide regels voor thermische dissipatie en analyse op PCB's te implementeren. Dit artikel begint met thermische ontwerpprincipes voor opstarten en introduceert ingenieurvriendelijke thermische ontwerpregels voor handige toepassing door elektronica-ontwerpers voor hun werk.

Basisprincipes van thermisch ontwerp

Thermisch ontwerp is gebaseerd op de basistheorie van warmteoverdracht en vloeistofmechanica. Waar er temperatuurverschil is, is er warmteoverdracht van de hoge temperatuurzone naar de lage temperatuurzone. Warmteoverdracht kan worden bereikt door warmtegeleiding, warmteconvectie en warmtestraling.

De formule van warmteoverdracht wordt weergegeven als:φ=KAΔt, waarbij φ staat voor de hoeveelheid warmteoverdracht waarvan de eenheid W is, K staat voor de warmteoverdrachtscoëfficiënt waarvan de eenheid W/(m ² x K), A staat voor het gebied van warmteoverdracht waarvan de eenheid m ² . is en Δt staat voor het temperatuurverschil tussen thermische vloeistof en koude vloeistof waarvan de eenheid K is.

Thermisch ontwerp van PCB's wordt gedefinieerd als het proces waarbij de thermische weerstand van de warmtebron tot de warmteverbruiksruimte tot een minimum wordt teruggebracht door middel van koelingsmaatregelen door thermische transmissie-eigenschappen of de dichtheid van de warmtevloeistof binnen een acceptabel bereik wordt gehouden. Om de betrouwbaarheid ervan te garanderen, moeten geldige thermische ontwerpmaatregelen worden genomen vanuit de volgende perspectieven, waaronder:
a. Natuurlijke koeling, die warmte geleidt zonder externe kracht. Het omvat warmtegeleiding, stralingswarmteoverdracht en natuurlijke convectieoverdracht.
b. Geforceerde luchtkoeling. Het laat koellucht door elektronische apparaten of componenten stromen, waarbij warmte van warmtebron naar koellichaam wordt overgebracht via ventilator of ram-lucht.
c. Vloeistofkoeling. Er zijn twee methoden voor vloeistofkoeling:
1). Directe vloeistofkoeling verwijst naar het proces waarbij componenten direct in de vloeistofkoelvloeistof worden gedrenkt.
2). Indirecte vloeistofkoeling verwijst naar het proces waarbij componenten niet direct in contact komen met vloeistofkoelvloeistof. De koeling vindt echter plaats via een warmtewisselaar of koude plaat.
d. Verdampingskoeling. Momenteel is het de meest effectieve warmtegeleidingsmethode. Thermische transmissie wordt verkregen door het koelen van het medium.
e. Andere soorten koelmaatregelen:thermobuis, koude plaat, thermo-elektrische koeling.

In het proces van thermisch beheer kunnen de juiste thermische ontwerpmaatregelen worden genomen op basis van praktische omstandigheden, zoals de praktische bedrijfsomgeving (temperatuur, vochtigheid, atmosferische druk, stof enz.), dichtheid van thermische vloeistof aan boord, dichtheid van vermogensvolume en totaal stroomverbruik , oppervlakte, volume, koellichaam en andere speciale omstandigheden, om een ​​gelijkmatige verdeling van de temperatuur en een redelijke temperatuurstijging binnen de gereguleerde beperkte waarde te garanderen.

Thermische ontwerpregels

Het algemene doel van thermisch ontwerp is om de temperatuur te regelen van alle elektronische componenten die op printplaten in elektronische producten zijn geassembleerd, om de stabiliteit van elektrische prestaties te waarborgen, om temperatuurafwijking van elektrische parameters te voorkomen of te verminderen, om het basisstoringspercentage van componenten te verminderen, en om ervoor te zorgen dat de temperatuur in de gebruiksomgeving niet verder gaat dan de maximaal toelaatbare temperatuur. Dit artikel beschrijft de thermische ontwerpregels van PCB's in 3 perspectieven:het gebruik van componenten op PCB's, thermisch ontwerp van PCB's, componentenassemblage en PCB-lay-out.

a. Gebruik van elektronische componenten

1). Hoe de werktemperatuur van componenten te regelen?

Temperatuur is het eerste element dat van invloed is op de prestaties en het uitvalpercentage van componenten. De hoogst toelaatbare werktemperatuur en het hoogste stroomverbruik moeten worden bepaald op basis van het vereiste betrouwbaarheidsniveau en het gedistribueerde uitvalpercentage van elk onderdeel. Tabel 1 toont de waarden van de toegestane maximale oppervlaktetemperatuur van componenten vanuit het oogpunt van betrouwbaarheid in thermisch ontwerp.

2). Hoe de temperatuur van de componentjunctie te regelen?

De temperatuur van de componentjunctie hangt af van het eigen stroomverbruik, de thermische weerstand en de omgevingstemperatuur. Maatregelen om de junctietemperatuur binnen een toelaatbaar bereik te houden, zijn onder meer:
• Componenten met een lage interne thermische weerstand worden opgepikt.
• Derating wordt gebruikt om de temperatuurstijging te verminderen.
• Vooral circuits degenen die stroomcomponenten bevatten, moeten voor betrouwbaarheid afhankelijk zijn van een uitgebreid thermisch ontwerp met richtlijnen weergegeven in de standaardhandleiding die in overeenstemming is met.

3). Hoe derating ontwerpen wanneer componenten worden gebruikt?

Op basis van de behoeften kan het ontwerp met reductie in praktisch gebruik worden geïmplementeerd om componenten te laten presteren in de toestand van onder de nominale parameter (vermogen, spanning, stroom), zodat de temperatuurstijging en het uitvalpercentage drastisch worden verminderd.

b. Thermische ontwerpregels van PCB's

De verticale montage van PCB's is gunstig voor de warmteafvoer en de afstand tussen de platen moet minimaal 20 mm worden aangehouden. De thermische ontwerpregels van het bord omvatten:
1). Materiaal met een anti-hoge temperatuur en hoge geleidingsparameter wordt opgenomen als substraatmateriaal van PCB's. Als het gaat om circuits met een hoog vermogen en een hoge dichtheid, kunnen aluminium basis en keramiek worden gebruikt als substraatmateriaal vanwege hun lage thermische weerstand (PCBCart is volledig in staat om PCB's te vervaardigen met die substraatmaterialen. U kunt uw PCB-bestanden samen met de vereiste hoeveelheid sturen op deze pagina voor een offerte voor PCB's op basis van aluminium en keramiek).
2). Meerlagige structuur is een optimale keuze voor thermische dissipatie van PCB's.
3). Om het warmtegeleidingsvermogen van printplaten te verbeteren, is het het beste om platen te gebruiken die warmte afvoeren. Metaalkernplaat kan worden toegepast in meerlaagse PCB's om een ​​uitstekende warmteafvoer tussen bord, ondersteunende apparaten en warmteafvoerende apparaten te verkrijgen. Indien nodig kan een beschermende coating en inkapselingsmateriaal worden gebruikt om de thermische overdracht naar ondersteunende apparaten of warmteafvoerende apparaten te versnellen.

4). Om het warmteafvoervermogen van PCB's te vergroten, kan een rail worden gebruikt, die kan worden beschouwd als een uitstekende radiator en in staat is de anti-interferentieprestaties van PCB's te verbeteren.
5). Om het thermische dissipatievermogen van PCB's te verbeteren, moet de dikte van de metaalfolie worden vergroot en moet de binnengeleider metaalfolie met een groot oppervlak gebruiken. Bovendien moet de breedte van grondlijnen op de juiste manier worden vergroot, omdat grondlijnen met een groot oppervlak zowel in staat zijn om het anti-interferentievermogen te vergroten en de warmtecapaciteit af te voeren.

c. Componentenassemblage en PCB-lay-out

De lay-out van componenten is vrij essentieel voor de thermische prestaties van PCB's, vooral die die verticaal zijn geplaatst. De montagerichting van de componenten moet overeenkomen met de stroomkarakteristieken van de koelvloeistof om koelvloeistof de minste weerstand te bieden. De regels die van toepassing zijn op componenten op het gebied van montage en lay-out zijn onder meer:

1). Voor de producten met vrije convectieluchtkoelingsmethode, is het het beste om IC's of andere componenten in de lengterichting te rangschikken zoals het voorbeeld weergegeven in Afbeelding 2 hieronder. Voor de producten met geforceerde luchtkoeling is het het beste om IC's of andere componenten in een langwerpige opstelling te plaatsen, zoals weergegeven in afbeelding 3 hieronder.

2). De componenten op dezelfde PCB moeten worden geclassificeerd en geplaatst op basis van hun warmteproductiviteit en warmteafvoerniveau. Componenten met een lage warmteproductiviteit of lage warmteweerstand (kleine signaaltransistor, kleinschalige IC, elektrolytische condensator, enz.) moeten stroomopwaarts (ingang) worden geplaatst, terwijl componenten met een hoge warmteproductiviteit of hoge hittebestendigheid (frequentietransistor, hyperschaal IC, enz.) moet stroomafwaarts worden geplaatst. Aan de periferie van versterkers met een klein signaal moeten componenten met een kleine temperatuurafwijking worden geplaatst en moeten condensatoren met vloeibaar medium ver weg van de warmtebron worden geplaatst.
3). In horizontale richting moeten componenten met een hoge frequentie naast de rand van PCB's worden geplaatst om het warmteoverdrachtspad te minimaliseren. In verticale richting moeten componenten met een hoge frequentie dicht bij het bovenste deel van PCB's worden geplaatst om hun invloed op de temperatuur van andere componenten te verminderen.
4). Temperatuurgevoelige componenten moeten worden geplaatst op de plaats met de laagste temperatuur, zoals de bodem van een product. Ze mogen niet direct boven componenten worden geplaatst die warmte genereren en ze moeten ver van componenten worden geplaatst die warmte genereren of hiervan worden geïsoleerd.
5). Componenten met het meeste stroomverbruik en de meeste warmteopwekking moeten worden opgesteld naast de beste plaats voor warmteafvoer. Plaats nooit componenten met een hoge temperatuur in de hoek of rand, tenzij er radiatoren omheen zijn geplaatst. Bij het aanbrengen van vermogensweerstanden moeten relatief grote componenten worden opgepakt en moet er voldoende warmteafvoerruimte voor hen worden gelaten in het proces van PCB-lay-out.
6). Het vermogen moet gelijkmatig over PCB's worden verdeeld om het evenwicht en de conformiteit te behouden en de concentratie van warmtepunten te vermijden. Het is moeilijk om strikte uniformiteit te bereiken, maar gebieden met een extreem hoog vermogen moeten worden vermeden in het geval dat oververhitte punten de normale werking van het hele circuit verstoren.
7). Tijdens het ontwerp van PCB's moet volledig rekening worden gehouden met het luchtstroompad en moeten componenten redelijk worden gerangschikt. Lucht heeft de neiging om met weinig weerstand naar de plaats te stromen, dus relatief grote luchtruimte moet worden vermeden bij het plaatsen van componenten op PCB's.
8). Thermische assemblagetechnologie moet worden toegepast op printplaten om een ​​relatief goed warmtetransmissie-effect te bereiken. Meer dan de helft van de warmte die wordt gegenereerd door componenten zoals IC's en microprocessors wordt naar PCB's overgebracht via hun eigen geleiders waarvan de montagegaten gemetalliseerde gaten moeten gebruiken. Deze componenten kunnen ook rechtstreeks op een warmtegeleidingsstick of -plaat worden gemonteerd om de thermische weerstand veroorzaakt door componenten te verminderen.
9). De thermische weerstand moet zo veel mogelijk worden verlaagd in de verbindingen tussen componenten met een hoge warmteafvoer en PCB's. Om aan de eis van warmte-eigenschappen te voldoen, kunnen sommige warmtegeleidende materialen onder de chip worden gebruikt en moet de warmteafvoer van componenten in het contactgebied worden gehandhaafd.
10). Pinnetjes van componenten dienen bij het aansluiten van componenten en printplaten te worden ingekort. Bij het selecteren van componenten met een hoog stroomverbruik moet rekening worden gehouden met de geleidbaarheid van het loodmateriaal. Kies indien mogelijk componenten met een grotere doorsnede en met de meeste pinnen.

d. Andere vereiste
1). Componentpakket:het type componentpakket en de warmtegeleidingssnelheid moeten worden overwogen bij het thermische ontwerp van PCB's. Warmtegeleidingspad kan worden voorzien tussen substraat en componentenpakket en luchtonderbreking moet worden vermeden op het warmtegeleidingspad.
2). Techniek Methode:lokale hoge temperaturen kunnen worden veroorzaakt in de gebieden met componenten aan beide zijden van het bord. Om de warmteafvoerconditie te veranderen, kan wat fijn koper in de soldeerpasta worden toegevoegd, zodat de soldeerpunten onder componenten tot een bepaalde hoogte stijgen. Het luchtruim tussen componenten en printplaat wordt vergroot zodat thermische convectie kan worden verbeterd.
3). Warmteafvoergaten:sommige warmteafvoergaten en blinde gaten kunnen op PCB's worden aangebracht, zodat het warmteafvoergebied effectief kan worden vergroot, de thermische weerstand kan worden verlaagd en de vermogensdichtheid van PCB's kan worden verhoogd.

Thermische analyse

Gebaseerd op computationele warmteoverdracht, thermische analyse waarvan de numerieke berekeningsmethoden voornamelijk de eindige-verschilmethode, de eindige-elementenmethode en de grenselementmethode omvatten, verwijzend naar het proces van het vereenvoudigen van modules, het opstellen van wiskundige modules, het oplossen van niet-lineaire vergelijkingen, het maken en aanpassen van analytische procedures en berekening, meting en test van thermische parameters.

Als een fundamenteel aspect van thermisch ontwerp, is thermische analyse een belangrijke methode om het belang van thermisch ontwerp te evalueren. Thermische PCB-analyse verwijst naar het proces van het tot stand brengen van de thermische module van componenten en het instellen van simulatiecontroleparameters volgens de structuur en grondstof van PCB's, het pakkettype van componenten en de PCB-werkomgeving om waarden van thermisch gedrag van PCB's te schatten. Thermische analyse moet worden uitgevoerd in de conceptfase vóór de lay-out en tijdens het hele proces van PCB-ontwerp.

Waarden van componenttemperatuur, printplaattemperatuur en luchtstroomtemperatuur kunnen worden verkregen uit thermische analyse, waarbij de thermische kenmerken van PCB's worden weergegeven in de vorm van gekleurde afbeeldingen, visuele temperatuurisothermgrafieken of specifieke gegevens.

Op basis van het resultaat van thermische analyse kunnen thermische problemen van PCB's snel worden ontdekt en kunnen tijdige maatregelen worden genomen en kunnen dichte gebieden met hoge temperaturen worden geëlimineerd, wat het warmtegeleidingspad zal bepalen, de posities van belangrijke componenten, de vorm zal optimaliseren van radiator en grootte om volledig te profiteren van de warmteafvoersnelheid, de efficiëntie van de warmteoverdracht van warmteafvoergaten en radiatoren te verhogen en de ruimte tussen borden en componenten op borden te bepalen.

PCCBart heeft een rijke ervaring in het vervaardigen van PCB's met geavanceerde functies

Sinds de oprichting in 2005 produceert PCBCart printplaten voor klanten uit meer dan 80 landen. Onze vervaardigde PCB's worden veel gebruikt in bijna alle industrieën. U kunt ons bereiken om uw aangepaste PCB-project hier te bespreken.

Handige bronnen
• Overwegingen bij het thermische ontwerp van PCB's
• Ontwerp van interne thermische dissipatie van PCB's op basis van thermisch model
• Metal Core PCB een ideale oplossing voor thermische problemen in PCB's en PCBA
• Hoe om een ​​PCB-fabrikant of een PCB-assembleur te evalueren
• Volledige PCB-fabricageservice van PCBCart
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCCBart