Overwegingen bij het thermische ontwerp van PCB's

Met vermogenscomponenten die in steeds kleinere oppervlaktemontagepakketten komen, is het belangrijk om een ​​coherente benadering te bedenken om de thermische dissipatievereisten van deze componenten in een PCB-ontwerp te verminderen. Hoewel de ontwikkeling van een exacte wiskundige analyse van de thermische eigenschappen van een PCB-ontwerp een complex proces kan zijn, is het mogelijk om enkele eenvoudige regels toe te passen om de thermische geleiding van uw ontwerp te verbeteren. Door de warmteafvoer in uw ontwerp goed te beheersen, kunt u uiteindelijk een betrouwbaarder en zuiniger PCB-ontwerp maken. Wat volgt is een korte bespreking van het standaard thermische dissipatiemodel en vervolgens enkele algemene regels voor het omgaan met thermische dissipatie in uw ontwerpen.

Eerst is het belangrijk om de terminologie te definiëren die in de rest van dit item zal worden gebruikt. De volgende afbeelding presenteert de verschillende componenten van een vermogens-IC waarmee we rekening moeten houden bij het bespreken van thermisch beheer. We zullen in dit artikel de temperatuur van de Junction, Top en Case van het onderdeel en hun thermische weerstand tegen de omgeving bespreken.

Met deze termen in de hand, zullen we kort kijken naar het standaardmodel dat wordt gebruikt om de thermische dissipatie van een component te simuleren. Thermische weerstand wordt normaal gemodelleerd als een weerstandsnetwerk. Het standaardmodel voor een component wordt weergegeven in de volgende afbeelding:

In de weergegeven figuur T_J wordt gedefinieerd als de temperatuur van de junctie (het interne werkgedeelte van het onderdeel), T_T is de temperatuur van de "bovenkant" van de verpakking (meestal de plastic behuizing van het onderdeel), T_C is de temperatuur van de "behuizing" (dit is de temperatuur van de sterk thermisch geleidende pads van het onderdeel en de aangesloten printplaat) en T_A is de omgevingstemperatuur. Het doel van de elektronica-ontwerper is om vervolgens de laagst mogelijke thermische weerstand te produceren tussen de junctie en de omgeving. Met uitzondering van θ_CA , de thermische weerstanden van het systeem (θ_JT , _TA en θ_JC ) worden gedefinieerd door de eigenschappen van het onderdeel en kunnen uit het gegevensblad voor dat onderdeel worden gehaald. Als PCB-ontwerper hebben we voornamelijk invloed op de waarde van θ_CA , die afhankelijk is van ons PCB-ontwerp. Als zodanig is de belangrijkste uitdaging voor de ontwerper het verminderen van de thermische weerstand van de behuizing van de IC tegen de omgeving door deze weerstand te verminderen. Hoe goed we deze thermische weerstand kunnen verlagen (θ_CA ) zal grotendeels het temperatuurverschil (of het ontbreken daarvan) bepalen dat zich zal ontwikkelen tussen de omgevingsomgeving en de kruising van de component.

Van belang is dat het andere pad voor thermische geleiding de plastic behuizing (of de "bovenkant") van het onderdeel is. Aangezien de plastic verpakking van de meeste stroomcomponenten geen goed thermisch pad naar de omgeving biedt, is de efficiëntie van thermische dissipatie van het ontwerp sterker afhankelijk van het vermogen van het ontwerp om thermische energie via de behuizing naar de omgeving af te voeren. De enige uitzondering is wanneer het betreffende stroom-IC is ontworpen met een thermische pad aan de bovenkant van het onderdeel. In dit geval is het IC ontworpen om een ​​koellichaam rechtstreeks aan de bovenkant van het IC te bevestigen en wordt de thermische dissipatie van het onderdeel via de "bovenkant" een veel belangrijkere factor in het ontwerp.

De standaardbenadering om warmte weg te leiden van stroomcomponenten is door de stroomcomponenten thermisch te verbinden met aangrenzende koperen vlakken door middel van thermische via's. Dit wordt meestal bereikt door een aantal via's in de voetafdruk van het stroom-IC te plaatsen. Deze via's zorgen voor een thermische verbinding met de koperlagen onder het IC, die vervolgens warmte wegleiden van het onderdeel.

Bovendien, hoe meer vermogen koperen vlakken verbonden met vermogens-IC door genoemde thermische via's, hoe hoger de efficiëntie van thermische dissipatie van de PCB. bijv. het gebruik van een 4-laags ontwerp versus een 2-laags ontwerp kan de vermogensdissipatiecapaciteit van de PCB tot 30% verhogen wanneer hetzelfde gebied van die ontwerpen wordt vergeleken.

De volgende ontwerpregels zijn een goed uitgangspunt voor het benaderen van de thermische overwegingen van uw ontwerp.

a. Om 1 watt vermogen te dissiperen is een goede vuistregel dat je board een oppervlakte van 15,3 cm² of 2,4 in² per watt moet hebben voor een temperatuurstijging van 40°C. Als het bord onderhevig is aan luchtstroom, kan deze vereiste worden gehalveerd (7,7 cm² of 1,2 in² per watt). Deze waarden gaan ervan uit dat het onderdeel thermisch is gekoppeld aan een koperen vlak dat zich uitstrekt tot aan de randen van de plaat en dat de plaat zo is geplaatst dat de lucht vrij rond beide zijden van de plaat kan stromen. Als deze vereisten voor vermogensdichtheid te beperkend zijn voor uw ontwerp, kan het nodig zijn om een ​​extern koellichaam op te nemen. Een temperatuurstijging van 40°C is ook een goed uitgangspunt om te overwegen bij het regelen van de temperatuur van uw printplaat.

b. Wanneer er meer dan één voedingscomponent op een bord wordt geplaatst, is het het beste om die componenten zo te plaatsen dat uw PCB gelijkmatig wordt verwarmd door deze componenten. Grote temperatuurverschillen over de lengte van uw PCB-ontwerp zorgen ervoor dat uw PCB de thermische energie niet optimaal kan wegleiden van de gemonteerde voedingscomponenten. Indien beschikbaar voor de ontwerper, kan thermische beeldvorming de empirische inspectie van de plaatsing van uw componenten mogelijk maken zodra een ontwerprevisie is voltooid.

c. Hoe meer via's u onder uw component kunt plaatsen, hoe beter uw PCB thermische energie zal vertalen naar het aangesloten koperen vlak. Array via's om het aantal contactpunten met de stroomstootkussens van uw pakket (de grote warmtegeleidende elektroden van het onderdeel) te vergroten.

d. In ontwerpen die hogere wattages afvoeren, moet u hogere kopergewichten gebruiken. 1oz koper wordt aanbevolen als uitgangspunt voor stroomontwerpen.

e. Bij gebruik van een koperen gietvorm om thermische energie weg van een component af te voeren, is het belangrijk dat de gieting niet wordt onderbroken door sporen die loodrecht op het thermische pad lopen, weg van de voedingscomponent.

f. Als een koellichaam moet worden gebruikt om de temperatuur van het systeem binnen tolerantie te houden, is het van belang dat het koellichaam doorgaans veel effectiever is als het op een zodanige manier wordt geplaatst dat het thermisch is verbonden met de behuizing van het onderdeel. Dit betekent meestal dat het koellichaam aan de andere kant van het bord moet worden bevestigd vanaf een op het oppervlak gemonteerd onderdeel. Hoewel het verleidelijk kan zijn om een ​​koellichaam direct op de bovenkant van het onderdeel te plaatsen, zal de thermische weerstand van de plastic behuizing van het onderdeel het koellichaam ondoeltreffend maken. Zoals hierboven vermeld, zijn de uitzonderingen op deze regel pakketten die expliciet zijn ontworpen om koellichamen aan hun "bovenkanten" te bevestigen.

Samengevat, de thermische prestaties van een ontwerp zijn erg belangrijk om te overwegen wanneer u met stroomcomponenten werkt. Door de ontwerpregels in dit artikel vroeg in het ontwerpproces van uw PCB te gebruiken, kunt u een goede voorsprong krijgen bij het regelen van de temperatuur van uw PCB en kunt u later in het ontwikkelingsproces drastische herontwerpen voorkomen.

Handige bronnen
• De meest uitgebreide principes van thermisch ontwerp voor PCB's
• Ontwerp van interne thermische dissipatie van PCB's op basis van thermisch model
• Tips voor thermisch ontwerp voor PCB's bestuurd door FPGA-systeem
• Ontwerp van high-power PCB's in omgevingen met hoge temperaturen
• Metal Core PCB een ideale oplossing voor thermische problemen in PCB's en PCBA
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-montageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk