Uitgebreide gids voor PCB-temperatuurbeheer

Spring naar:

• Hoe PCB-temperatuur te meten
• Hoeveel hitte kan een PCB weerstaan?
• Veelvoorkomende oorzaken van hoge hitte in een PCB
• Hoge temperaturen in een PCB voorkomen
• Contact MCL voor al uw PCB-behoeften

Temperatuur is een belangrijk element van veiligheid, betrouwbaarheid en prestaties in printplaten (PCBs). Hoge temperaturen kunnen snel leiden tot malfunctionen en permanente schade.

Verschillende omstandigheden kunnen hitte introduceren in de werking van een PCB. Een op de PCB gemonte component kan overmatige hitte produceren. Een extern element – bijvoorbeeld een ander component in een complex systeem zoals een luchtvaart- of medische toepassing – kan overmatige hitte genereren. Hitte kan opbouwen in de PCB door onvoldoende ventilatie. Of tijdens PCB-assemblage kan de hitte die ontstaat tijdens boren en solderen ongewone thermische stress op componenten uitoefenen en leiden tot defecte borden.

Wat de reden ook is, ingenieurs hebben manieren nodig om hitte te managen, zodat PCBs de hoge thermische stresses kunnen doorstaan die ze onvermijdelijk zullen tegenkomen. Wat zijn effectieve PCB-warmtedissipatietechnieken en manieren om PCB-temperatuurstijging te voorkomen? We beantwoorden deze vragen in detail hieronder.

Waarom is het monitoren van PCB-temperatuur belangrijk?

Het monitoren van PCB-temperatuur is cruciaal omdat hoge temperaturen de structuur van de PCB kunnen veranderen en de prestaties verminderen of ertoe leiden dat het uiteenvalt.

PCB-temperatuurmetering is ook cruciaal omdat de problemen die voortvloeien uit hoge temperaturen niet gelokaliseerd blijven. Ze kunnen zich snel uitbreiden naar andere componenten van de PCB en een cascades van malfunctionen en schade veroorzaken.

Overmatige hitte in een PCB kan de volgende schade veroorzaken:

• Verlies van structurele integriteit: Overmatige hitte kan de integriteit van een PCB schaden. De lagen van een PCB zijn zeer gevoelig voor temperatuurschommelingen, en wanneer ze te heet of koud worden, vouwen ze uit en krimpen. Overmatige hitte kan leiden tot vervorming in de lengtes, breedtes en diktes van verschillende PCB-lagen.
• Storing van circuitlijnen: Overmatige hitte kan ook circuitschade veroorzaken. Circuitlijnen vouwen uit en veranderen van vorm wanneer ze oververhit raken. Eenmaal gebeurd, worden de circuits vatbaar voor frequentieverschuivingen, vervormingen en rechte verliezen. Hun geleiderimpedantie kan ook verschuiven van de standaardwaarde van 50 ohm. Millimeter-golf circuits en microgolf circuits, in het bijzonder, hebben minuscule, kwetsbare componenten die gemakkelijk schade kunnen oplopen als ze uitvouwen en vervormen bij hoge temperaturen.
• Onverenigbare uitdijingspercentages van materialen: De nadelige effecten worden verergerd doordat verschillende materialen met verschillende snelheden uitdijen. Een PCB heeft twee basistypen lagen: dielectrische lagen en geleidende metaallagen. Omdat ze verschillende materialen bevatten, vouwen ze zich anders uit als reactie op hitte. Een oververhitte PCB kan dus verdere schade oplopen doordat de verschillende laagtypen uit elkaar trekken.
• Oxidatie: Oxidatie van PCB-componenten is ook een zorg bij hoge temperaturen. Blootgesteld dielectrisch materiaal in PCBs heeft geen bescherming tegen oxidatie als het geen beschermende laminaatcoating heeft. In dat geval kan het materiaal roesten na blootstelling aan hoge hitte. Verlies van transmissielijnen en een hogere dissipatiefactor zijn vaak het resultaat.

Hoe PCB-temperatuur te meten

Voordat u PCB-temperatuur meet, is het essentieel om de primaire hittebron in de PCB te bepalen – meestal de microcontroller of microprocessor – evenals de temperatuursensoren te lokaliseren.

Het is ook nodig om de ground (GND) pennen te vinden, die meestal aan het substraat van de hittebron zijn bevestigd. Een groot percentage van de gegenereerde hitte in een PCB beweegt naar de temperatuursensor via deze GND-pennen. Omdat de pennen verbonden zijn met het substraat, hebben ze de minste thermische weerstand van elk component van de PCB tussen de temperatuursensor en de hittebron.

Eenmaal deze informatie bekend is, kan temperatuurbewaking beginnen. PCB-temperatuurmeting omvat typisch drie verschillende stappen:

1. Plaats een ground plane tussen de temperatuursensoren en de hittebron.
2. Verbind de GND-pennen van elke temperatuursensor met de ground plane van de hittebron.
3. Zorg ervoor dat de temperatuursensoren en de hittebron dicht bij elkaar blijven op de PCB.

Het volgen van deze stappen stelt u in staat om de temperaturen van de primaire hittebron – en dus van de PCB als geheel – met nauwkeurigheid en precisie te meten.

Wat is de maximumtemperatuur die een PCB kan weerstaan?

Hoeveel hitte een PCB kan weerstaan, hangt af van de materialen waaruit het samengesteld is. Materialen met optimale thermische eigenschappen bieden betrouwbare weerstand tegen de effecten van hoge hitte, terwijl sommige materialen minder betrouwbaar tegen hoge temperaturen staan. De metriek glasovergangstemperatuur (TG) helpt deze weerstand aan te geven. Bijvoorbeeld, FR-4 heeft een TG van ongeveer 135 graden Celsius.

PCBs worden doorgaans gedefinieerd als high-temperature PCBs als ze een temperatuurlimiet van 150 graden Celsius kunnen weerstaan. Sommige high-temperature PCBs kunnen nog hogere hitte weerstaan, maar borden geproduceerd uit materialen met minder hitteweerstand kunnen alleen veilig werken bij veel lagere temperaturen. High-temperature PCBs worden steeds vaker gebruikt in toepassingen zoals automotive en industriële toepassingen waar extreme temperaturen onderdeel zijn van de werkomgeving.

Veelvoorkomende oorzaken van hoge hitte in een PCB

1. Componentmalfunction causing dissipatie

Een veelvoorkomende oorzaak van hoge hitte in een PCB is dat één component malfunctioneert en dissipatieert, waardoor het niet de typische hoeveelheid vermogen produceert. Wanneer dit gebeurt, moeten de omringende componenten meer vermogen genereren om te compenseren. Het genereren van meer vermogen leidt tot het risico op oververhitting.

2. Through-hole interferentie

Through-hole componenten en heatsink-componenten zijn de componenten van de PCB die vermogen leveren. Ze genereren hitte en dissiperen het in de lucht. Als een heatsink onjuist gesoldeerd is, of als een ander component van de PCB interferert met de through-hole, zullen de andere componenten meer hitte dan normaal genereren om te compenseren. Dit scenario leidt ook tot oververhittingsrisico.

3. Surface-mount device afstand

Surface-mount devices (SMDs) verbinden met de PCB op dezelfde manier als through-hole componenten. Ze staan een gladde stroom van stroom door de through-hole en heatsink-componenten toe. Maar de through-hole componenten en de SMDs moeten op de juiste afstand van elkaar staan. Als ze te ver uit elkaar staan, moet de stroom verder reizen. De extra tijd die de stroom nodig heeft om te reizen, kan ervoor zorgen dat de ontvangende componenten te lang koel blijven. Wanneer dat gebeurt, kunnen andere componenten oververhit raken om te compenseren.

4. High-frequentie circuits

Hoge temperaturen zijn met name waarschijnlijk in toepassingen die high-frequentie circuits gebruiken. De reden is dat het genereren van meer vermogen van nature meer hitte produceert.

Radiofrequentie circuits, bijvoorbeeld, vertegenwoordigen een snelgroeiende sector in PCB-engineering. Deze circuits zijn hoogst complex maar hebben veel nuttige toepassingen, van draadloze beveiliging in medische en industriële producten tot smartphones. Deze high-frequentie circuits neigen ertoe enorme hoeveelheden hitte te genereren, dus speciale ontwerptechnieken zijn noodzakelijk voor deze typen PCBs.

5. Loodvrij soldeer

Als geheel beweegt de PCB-industrie naar de restrictie van gevaarlijke stoffen (RoHS). RoHS PCBs gebruiken loodvrij soldeer, en loodvrij soldeer vereist hoge temperaturen om vrij te vloeien.

Hoe hoge temperaturen in een PCB te voorkomen

Zoals we gezien hebben, is het voorkomen van een PCB-temperatuurstijging cruciaal. Maar hoe kunt u hitte in een PCB reduceren? Ingenieurs kunnen een paar verschillende PCB-warmtedissipatietechnieken aanwenden:

1. Heatsinks

Een PCB is in feite een hitte-genererende fabriek door alle hitteproducerende componenten die het bevat. De PCB heeft een manier nodig om al die thermische energie veilig te dissiperen. Over het algemeen is het antwoord heatsinks. Heatsinks dissiperen de hitte veilig, zodat het niet opbouwt en het bord beschadigt.

2. Ventilatoren

De meeste elektronische apparaten bevatten ventilatoren voor koeling, en een deel van het doel van die ventilatoren is om PCBs te helpen koelen. Koelventilatoren blazen hitte uit elektronische apparaten terwijl ze koele lucht binnenlaten, wat helpt oververhitting te voorkomen en de levensduur en prestaties van de PCB te verlengen.

3. Materialen en componenten overwegen

Het kiezen van hittebestendige materialen is een van de meest effectieve strategieën om hitte in een PCB te reduceren. Zware koper PCBs, geconstrueerd met dikke koperplaten, zijn uitstekende keuzes voor hun duurzaamheid en vermogen om hoge temperaturen te weerstaan. Ze hanteren hogere stroomniveaus, weerstaan hogere temperaturen voor langere periodes en bieden sterkere verbindingspunten dan standaard PCBs. Daarom zijn ze met name nuttig in automotive, luchtvaart, zware machines en power converter toepassingen en andere zware omgevingen.

Veel PCBs bevatten FR-4, wat, hoewel nuttig als vlamvertragend, geen extreme temperaturen kan verdragen. Het weten dat een PCB FR-4 bevat, stelt ingenieurs in staat om circuits te ontwerpen die niet meer hitte genereren dan het materiaal kan aan.

Materialen zoals RF-materialen – gebruikt in radiofrequentie circuits – en polyamide zijn ook gevoelig voor hoge temperaturen. Polytetrafluoroetheen (PTFE) is extreem veelvoorkomend in RF-borden, maar kan smeeren onder de hitte van boren, en de smeer is erg moeilijk te verwijderen. Deze materialen zijn minder veelvoorkomend in PCBs dan FR-4, maar ingenieurs moeten voorzichtig zijn in hun ontwerpen als ze met deze materialen werken. Het gebruik van een high-temperature laminaat in deze situaties is ten zeerste aanbevolen.

4. Platen dikte en breedte vergroten

In PCBs leiden dunne platen over het algemeen heat minder effectief dan dikke. Ze vereisen meer vermogen om hoge temperaturen te bereiken, dus met de juiste engineering kunnen ze helpen het risico op oververhitting, vervorming en storing te reduceren.

5. Laminaat toepassen

Het aanbrengen van laminaat is een andere manier om schade door hoge temperaturen te voorkomen. High-temperature PCB laminaat kan oververhitting voorkomen door hittebescherming te bieden voor de componenten van de PCB.

High-temperature laminaat zou de volgende beschermende eigenschappen moeten hebben:

• Glasovergangstemperatuur (TG): Glasovergangstemperatuur verwijst naar de temperatuur waarop polymeren thermodynamisch van rigide naar zacht verschuiven. High-TG PCBs bieden superieure bescherming.
• Tijd tot delaminatie: Hoge hitte kan een PCB laminaat over tijd delamineren. De beste laminaat nemen lang voordat ze bij hoge temperaturen gedelamineerd raken.
• Vochtabsorptie: PCB laminaat zouden betrouwbare, beschermende vochtabsorptiemogelijkheden moeten hebben. Als de PCB in een luchtgecontroleerde omgeving als een laboratorium werkt, is vochtabsorptie misschien geen hoge prioriteit. Maar als de PCB in een omgeving werkt waar het aan de elementen blootgesteld kan worden, zijn adequate vochtabsorptiemogelijkheden cruciaal.
• Ontledingstemperatuur (TD): Ontledingstemperatuur verwijst naar de temperatuur waarop 5% van de massa van het laminaat verloren gaat door ontleding. Een hoge ontledingstemperatuur biedt superieure bescherming.
• Z-as uitdijng: Z-as uitdijng verwijst naar de uitdijng van het materiaal langs de z-as als percentage van de thermische uitdijngcoëfficiënt. Lagere Z-as uitdijng biedt ook superieure bescherming.

6. CTE's uitlijnen

De thermische uitdijngcoëfficiënt (CTE) meet hoeveel een materiaal uitdijt bij blootstelling aan hoge temperaturen. In PCB-ontwerp is het ideaal dat de dielectrische lagen een vergelijkbare CTE hebben met die van de koperlagen. Op die manier, als de lagen uitdijen, doen ze dit op een uniforme manier die minimale schade oplevert.

In een multilayer stack, als CTE's niet uitgelijnd zijn, zullen de lagen op radicaal verschillende snelheden uitdijen, wat vervorming en storing kan veroorzaken. Als deze onevenwichtige uitdijng plaatsvindt tijdens PCB-assemblage, kunnen de misalignments ook ernstige problemen voor boren veroorzaken.

Het kiezen van PCB-materialen met lagere CTE's helpt oververhitting te voorkomen. Bijvoorbeeld, PTFE gevuld met geweven glas of microglasvezel heeft uitstekende elektrische kenmerken, maar ook een hoge CTE. Dit materiaal is dus een slechte keuze wanneer thermische zwaarte een top prioriteit is. Aan de andere kant, PTFE gevuld met keramiek heeft een lagere CTE en presteert veel beter bij hoge temperaturen, hoewel het iets in elektrische kenmerken inboet.

7. Adequate spacing handhaven

Het bepalen van componentafstand op een PCB kan een lastig proces zijn. Wanneer bordcomponenten te dicht bij elkaar staan, kan crosstalk ontstaan – dat wil zeggen, verschillende componenten beginnen op ongewilde manieren met elkaar te interacteren. Deze ongewilde interacties leiden tot het skin-effect. Wanneer het skin-effect optreedt, stijgen trace-weerstanden, wat leidt tot resistieve verliezen en hitte toevoegt aan het circuit. Het skin-effect is met name veelvoorkomend bij high-frequentie PCBs, dus ingenieurs moeten extra voorzichtig zijn met componentafstand om oververhitting te voorkomen.

8. Heat pipes correct integreren

Heat pipes in een PCB kunnen helpen hitte te disperseren. De vloeistof in de pijpen kan hitte absorberen en voorkomen dat het de componenten van het bord beschadigt.

9. RTI en MOT maximaliseren

Relative Thermal Index (RTI) en Maximum Operating Temperature (MOT) zijn twee relevante metingen waar ingenieurs zorgvuldig op moeten letten in het ontwerp van PCBs.

RTI geeft de hoogste temperatuur aan die een materiaal kan aan zonder veranderingen in eigenschappen of vermindering in prestaties. MOT verwijst naar de hoogste temperatuur die een specifieke PCB-configuratie kan weerstaan zonder veranderingen in eigenschappen of vermindering in prestaties. Ingenieurs moeten beide metingen in gedachten houden bij het ontwerpen van PCBs en materialen en circuitcomponenten kiezen met robuuste hitteweerstand zoals bepaald door deze metrische waarden.

Contact MCL voor al uw PCB-behoeften

Wanneer u PCBs nodig heeft ontworpen voor temperatuurcontrole, maak Millenium Circuits Limited uw vertrouwde leverancier voor engineering oplossingen. Onze high-temperature PCB laminaat helpen het risico op oververhitting in PCBs te reduceren, en onze zware koper PCBs en high-TG PCBs bieden superieure capaciteit om hoge temperaturen te weerstaan. We kunnen ook helpen bij het faciliteren van het ontwerp van custom PCBs aan uw specificaties.

Neem vandaag contact met ons op voor een offerte of om meer te weten te komen.