Intern ontwerp van thermische dissipatie van PCB op basis van thermisch model

Snelle ontwikkeling van elektronische technologie leidt tot onmiddellijke verbetering in termen van rekensnelheid, rekenfrequentie en integriteit van elektronische producten. Bovendien wordt de volumetrische vermogensdichtheid steeds hoger, nu het volume van elektronische producten krimpt. Bovendien zorgen de ontwikkelingsoriëntatie van dikte, lichtheid en miniatuur ervoor dat elektronische componenten een toenemende calorische waarde van het eenheidsvolume hebben. Met de opwaardering van elektronische producten wordt hun betrouwbaarheid sterk beïnvloed als gevolg van de snel toenemende dichtheid van de warmtestroom in PCB's. Volgens de principes van 10 graden zal elke keer dat de temperatuur met 10 graden Celsius stijgt, een deel van de parameters van sommige componenten met de helft afnemen. Op basis van een onderzoek is 55% van de elektronische apparaten beschadigd omdat de temperatuur de nominale waarde van componenten overschrijdt. Daarom zijn een redelijke lay-out van de componenten en thermische dissipatie van PCB's de belangrijkste elementen waar ingenieurs rekening mee moeten houden.

Het thermisch ontwerp van elektronische producten wordt meestal onderverdeeld in de volgende niveaus:systeemniveau, bordniveau en pakketniveau. Thermisch ontwerp op bordniveau verwijst naar het thermische ontwerp van radiator, elektronische stencil en PCB. Dit artikel biedt een nieuwe methode voor het afvoeren van warmte die ervoor zorgt dat warmte aan de onderkant van componenten snel naar buiten wordt overgedragen en het thermische dissipatiegebied van componenten vergroot zonder de PCB-lay-out te beïnvloeden, met als doel de temperatuur van componenten en het temperatuurverschil te verminderen. Vergeleken met de traditionele methode van thermische dissipatie, heeft deze nieuwe methode enkele kenmerken, waaronder meerdere thermische dissipatiestructuren, vermindering van de thermische belasting van PCB's en kleine ruimtebeslag. De algehele thermische dissipatie van PCB's is anisotroop als gevolg van meerdere patronen van PCB-lagen, waaronder de bovenlaag, de onderlaag en de routeringslaag die leidt tot de meerdere kenmerken zoals kopergehalte, koperdikte, doorgaande gaten en posities. Gebaseerd op thermische analysesoftware en fysieke vorm en thermische kenmerken van componenten, zal dit artikel vereenvoudigde PCB's en componenten opzetten en de lengte, breedte en hoeveelheid koelvinnen bespreken met experimentresultaten die naar voren komen door simulatiegegevensanalyse van verschillende omstandigheden.

Thermische analyseprincipes

De theorie van thermische analyse op printplaatniveau is gebaseerd op de basisprincipes van de warmteoverdrachttheorie. De procedure voor warmteoverdracht kent drie verschillende modi voor warmteoverdracht:thermische geleiding, thermische convectie en thermische straling, waarbij thermische geleiding de belangrijkste thermische dissipatiemethode is.

Volgens de wet van Fourier op de warmteoverdrachtstheorie is bij de differentiële laag met elke dikte van d in de richting van x de energie die d passeert in tijdseenheid recht evenredig met het gebied A van de temperatuurveranderingssnelheid, die kan worden weergegeven in formule .

In deze formule verwijst Q (W) naar de energie die het gebied A passeert in een tijdseenheid, wat ook de warmtestroom is. A (m²) verwijst naar het dwarsdoorsnede-oppervlak in de geleidingsrichting. L (m) verwijst naar de lengte van het geleidingspad. k [W/(m•°C)] is thermische geleidbaarheid. Δ t (°C) is het temperatuurverschil tussen twee zijden van d. x (m) is het pad van de warmtestroom. Min geeft het tegenovergestelde aan van de richting van de warmteoverdracht en temperatuurstijging.

Dichtheid van warmtestroom q (W/m²) verwijst naar de hoeveelheid warmtestroom die door eenheidsgebied A gaat binnen tijdseenheid, die wordt weergegeven in formule .

Verschillende materialen hebben verschillende thermische geleidbaarheid k waarvan de hoge waarde een uitstekende geleidbaarheid aangeeft.

PCB thermische weerstandstheorie

PCB is zo'n soort gecompliceerde meerlaagse structuur dat de warmtegeleiding anisotroop is. Wat de thermische analyse van PCB's betreft, is de materiaalstructuur in elke laag anders, zodat het moeilijk is om een ​​model op te zetten vanwege de grote rasternummers en de lage rekensnelheid. Dit artikel gebruikt een vereenvoudigd model met behulp van thermische analysesoftware. Het vereenvoudigde meerlaagse PCB-model wordt weergegeven in Afbeelding 1 hieronder.

Stel dat de koperlaag en de FR-4-laag dezelfde dikte hebben en dat elke laag dezelfde afstand heeft. k_n dat is normale thermische geleidbaarheid en k_p dat wil zeggen de thermische geleidbaarheid van elke laag wordt gebruikt om de thermische prestaties van PCB's te beschrijven. De volgende formules kunnen worden gebruikt om de waarde van k_n . te berekenen en k_p .

In deze formule, δ_Cu verwijst naar de dikte van elke koperlaag; k_Cu is de thermische geleidbaarheid van koper met een waarde van 388[W/(m•°C)]; k_j is de thermische geleidbaarheid van elke koperroutering; δ_F is de dikte van elke FR-4-laag; k_F is de thermische geleidbaarheid van FR-4 met een waarde van 0,35[W/(m•°C)]; δ_PCB is de totale dikte van de PCB; A_j is het totale gebied van koperroutering op laag j. De thermische weerstand van de printplaat wordt weergegeven in het vereenvoudigde model in figuur 2.

De temperatuur van de PCB-oppervlaktelaag en de onderste laag is respectievelijk t₁ en t₂; de totale overgedragen warmte is Q; de totale weerstand is R; de thermische weerstand van elke laag bij dikteoriëntatie is R₁ , R₂ en R₃ en ten slotte L₁ , L₂ en L₃; de oppervlakte van het bord is A. Op basis van figuur 2(a) wordt verondersteld dat de oriëntatie alleen verticaal is en kan de thermische weerstand worden berekend met de volgende formule:
R₁ =L₁ (A•k₁ )
R₂ =L₂ (A•k₂ )
R₃ =L₃ (A•k₃ )

Op basis van figuur 2(b) wordt verondersteld dat de oriëntatie alleen horizontaal is en kan de thermische weerstand worden berekend met de volgende formule:
R₁ =L/(A₁ •k₁ )
R₂ =L/(A₂ •k₂ )
R₃ =L/(A₃ •k₃ )
1/R =1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

De totale warmteweerstand langs verticale en horizontale oriëntatie kan worden weergegeven volgens de serie-parallelle verbinding van thermische weerstand via formule Q =(t₁ - t₂ )/R.

Op basis van de bovenstaande formule is het duidelijk dat de algehele thermische weerstand bij horizontale oriëntatie veel lager is dan bij verticale oriëntatie. Daarom, als koper horizontaal op PCB wordt begraven, zal een beter thermisch dissipatie-effect worden verkregen. Een dubbellaagse print wordt door dit artikel opgepakt als analyse-object. Figuur 3 is de schets van PCB begraven koper.

Simulatieanalyse en verificatie

• PCB-modelontwerp

De grootte van het vereenvoudigde model staat in de onderstaande tabel.

Component wordt in het midden van PCB geplaatst waarvan de warmtebron koper heeft die eronder is begraven. Koperen koelribben zijn naast koper begraven. Afbeelding 4 is het simulatiemodel met een afmeting van 0,5 mm x 30 mm.

Een circuit met een stroom van 2A wordt ingesteld als simulatieobject, zodat de lijnbreedte minimaal 0,5 mm is en de doorgaande opening 0,5 mm. Koelribben naast begraven koper moeten een tussenruimte van minimaal 1 mm hebben en de breedte van koelribben in dit artikel wordt gedefinieerd als 0,13 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,75 mm en 1 mm en lengte 20 mm, 30 mm en 40 mm. Onder de voorwaarde van 10 mm breedte en minder dan 1 mm tussenruimte, wordt het aantal koelribben met verschillende breedte weergegeven in onderstaande tabel.

• Resultaatanalyse

Op basis van tabel 2 kan worden geconcludeerd dat verschillen in breedte en lengte van koperen vinnen allemaal leiden tot een grote escalatie van de componenttemperatuur van PCB's. in de praktische toepassing moeten echter geschikte PCB-lengte en vinbreedte worden gekozen, rekening houdend met praktische situaties en kosten van koper. Figuur 5 is de grafiek van de hoogste temperatuur van componenten, terwijl Figuur 6 de grafiek is van de laagste temperatuur van componenten.

Uit de veranderingsneiging die door de grafiek wordt aangegeven, kan worden samengevat dat wanneer de breedte van de vinnen minder is dan 0,5 mm, de temperatuur van de componenten sterk wordt verlaagd met de vergroting van de lamelbreedte. De temperatuurverlaging wordt stabiel wanneer de breedte meer dan 0,5 mm is. Het temperatuurverschil is dus het grootst wanneer de vinbreedte 0,5 mm wordt gehouden met de laagste materiaalkosten. Met de toename van koelribben neemt de temperatuur van de componenten af.

De temperatuur daalt het meest, meer dan 5°C wanneer de vinlengte tussen 20 mm en 30 mm ligt. De temperatuur daalt in geringe mate, meer of minder dan 2°C wanneer de vinlengte tussen 30 mm en 40 mm ligt. Daarom is het verminderen van temperatuurverschillen relatief groot wanneer vinnen met een lengte van 20 mm tot 30 mm worden opgepakt tegen relatief lage kosten. Aangezien PCB-koelvinnen niet te lang en niet te breed mogen zijn, is het geschikt om vinnen op te pakken met een breedte van 0,5 mm en een lengte van 30 mm.

Afbeelding 7 is de grafiek van de temperatuurverdeling van de PCB-simulatie zonder begraven koper, terwijl Afbeelding 8 de grafiek is van de temperatuurverdeling van de PCB-simulatie met vinnen waarvan de lengte 30 mm en de breedte 0,5 mm is.

Volgens de twee cijfers kan men weten dat de hoogste temperatuur daalt van 108,4°C naar 88,6°C, met een reductiegraad van 18,5%. De laagste temperatuur daalt van 98,3°C naar 83,2°C, met een reductiegraad van 15,3%. Gebaseerd op de vergelijking in termen van temperatuurveld tussen figuur 7 en figuur 8, is PCB met begraven koper in staat om het temperatuurveld gelijkmatig te verdelen en het temperatuurverschil van borden te verminderen, zodat hotspots kunnen worden vermeden. PCB met begraven koper verlaagt de temperatuur van componenten, wat gunstig is voor de verbetering van de thermische dissipatie van componenten op PCB, zodat de betrouwbaarheid van componenten sterk wordt verhoogd.

Handige bronnen
• De meest uitgebreide principes van thermisch ontwerp voor PCB's
• Tips voor thermisch ontwerp voor PCB's bestuurd door FPGA-systeem
• Ontwerp van krachtige PCB's in een omgeving met hoge temperaturen
• Metal Core PCB an Ideal Solution to Thermal Issues in PCB and PCBA
• Full Feature PCB Manufacturing Service from PCBCart - Multiple Value-added options
• Advanced PCB Assembly Service from PCBCart - Start from 1 piece