Spring naar:

• Hoe PCB-temperatuur te meten
• Hoeveel hitte kan een printplaat verdragen?
• Veelvoorkomende oorzaken van hoge temperaturen in een PCB
• Hoge temperaturen in een PCB voorkomen
• Neem contact op met MCL voor al uw PCB-behoeften

Temperatuur is een belangrijk element van veiligheid, betrouwbaarheid en prestaties in printplaten (PCB's). Hoge temperaturen kunnen snel leiden tot storingen en blijvende schade.

Verschillende omstandigheden kunnen warmte in de werking van een PCB brengen. Een onderdeel dat op de printplaat is gemonteerd, kan overmatige hitte produceren. Een extern element - bijvoorbeeld een ander onderdeel in een complex systeem zoals een ruimtevaartsysteem of medische toepassing - kan overmatige hitte genereren. Door onvoldoende ventilatie kan er warmte in de printplaat ontstaan. Of tijdens de montage van PCB's kan de warmte die tijdens het boren en solderen wordt geproduceerd, buitensporige thermische spanning op de componenten veroorzaken en tot defecte printplaten leiden.

Wat de reden ook is, ingenieurs hebben manieren nodig om warmte te beheren om ervoor te zorgen dat PCB's de hoge thermische spanningen kunnen overleven die ze onvermijdelijk zullen tegenkomen. Wat zijn enkele effectieve technieken voor warmteafvoer van PCB's en manieren om temperatuurstijging van PCB's te voorkomen? We zullen deze vragen hieronder in meer detail beantwoorden.

Waarom is het belangrijk om de PCB-temperatuur te bewaken?

Het bewaken van de PCB-temperatuur is van cruciaal belang omdat hoge temperaturen de structuur van de PCB kunnen veranderen en de prestaties ervan kunnen verminderen of ervoor kunnen zorgen dat deze defect raakt.

PCB-temperatuurmeting is ook van cruciaal belang omdat de problemen die het gevolg zijn van hoge temperaturen niet lokaal blijven. Ze kunnen zich snel verspreiden naar andere componenten van de printplaat en een cascade van storingen en schade veroorzaken.

Overmatige hitte in een PCB kan de volgende soorten schade veroorzaken:

• Verlies van structurele integriteit: Overmatige hitte kan de integriteit van een PCB beschadigen. De lagen van een printplaat zijn zeer gevoelig voor temperatuurschommelingen en als ze te warm of te koud worden, zetten ze uit en krimpen ze. Overmatige hitte kan leiden tot kromtrekken in de lengtes, breedtes en diktes van verschillende PCB-lagen.
• Verstoring van circuitlijnen: Overmatige hitte kan ook leiden tot schade aan het circuit. Circuitlijnen zetten uit en veranderen van vorm wanneer ze oververhit raken. Zodra dit gebeurt, worden de circuits vatbaar voor frequentieverschuivingen, vervormingen en rechte verliezen. Hun geleiderimpedantie kan ook verschuiven van de standaardwaarde van 50 ohm. Vooral millimetergolfcircuits en microgolfcircuits hebben kleine, delicate componenten die gemakkelijk schade kunnen oplopen als ze bij hoge temperaturen uitzetten en vervormen.
• Onverenigbare mate van materiaaluitzetting: De hierboven vermelde nadelige effecten worden nog verergerd door het feit dat verschillende materialen met verschillende snelheden uitzetten. Een PCB heeft twee basistypen lagen:diëlektrische lagen en geleidende metaallagen. Omdat ze verschillende materialen bevatten, zetten ze anders uit als reactie op warmte. Een oververhitte PCB kan dus verdere schade oplopen als de verschillende soorten lagen uit elkaar vallen.
• Oxidatie: Oxidatie van PCB-componenten is ook een punt van zorg bij hoge temperaturen. Blootgesteld dialectisch materiaal in PCB's heeft geen bescherming tegen oxidatie als het geen beschermende laminaatcoating heeft. In dat geval kan het materiaal gaan roesten na blootstelling aan hoge hitte. Verlies van transmissielijnen en een hogere dissipatiefactor zijn vaak het gevolg.

Hoe PCB-temperatuur te meten

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

Het is ook nodig om de grondpennen (GND) te vinden, die meestal aan het substraat van de warmtebron zijn bevestigd. Een groot percentage van de warmte die in een PCB wordt gegenereerd, gaat via deze GND-pinnen naar de temperatuursensor. Omdat de pinnen verbinding maken met het substraat, hebben ze de minste thermische weerstand van elk onderdeel van de PCB tussen de temperatuursensor en de warmtebron.

Zodra u over deze informatie beschikt, kan de temperatuurbewaking beginnen. De temperatuurmeting van PCB's omvat doorgaans drie verschillende stappen:

1. Plaats een grondvlak tussen de temperatuursensoren en de warmtebron.
2. Sluit de GND-pinnen van elke temperatuursensor aan op het aardingsvlak van de warmtebron.
3. Zorg ervoor dat de temperatuursensoren en de warmtebron dicht bij elkaar blijven op de print.

Door deze stappen te volgen, kunt u de temperaturen van de primaire warmtebron - en dus van de PCB als geheel - nauwkeurig en nauwkeurig meten.

Wat is de maximale temperatuur die een PCB kan verdragen?

Hoeveel warmte een printje kan verdragen, hangt af van de materialen waaruit het is samengesteld. Materialen met optimale thermische eigenschappen bieden een betrouwbare weerstand tegen de effecten van hoge hitte, terwijl sommige materialen minder betrouwbaar bestand zijn tegen hoge temperaturen. De metriek die bekend staat als glasovergangstemperatuur (TG) helpt deze weerstand aan te geven. FR-4 heeft bijvoorbeeld een TG van ongeveer 135 graden Celsius.

PCB's worden doorgaans gedefinieerd als PCB's voor hoge temperaturen als ze bestand zijn tegen een temperatuurlimiet van 150 graden Celsius. Sommige hoge-temperatuur-PCB's kunnen mogelijk nog hogere temperaturen weerstaan, maar platen die zijn vervaardigd van materialen met een lagere hittebestendigheid, kunnen alleen veilig werken bij veel lagere temperaturen. Hoge-temperatuur-PCB's komen steeds vaker voor in toepassingen zoals auto's en industriële toepassingen waar extreme temperaturen deel uitmaken van de werkomgeving.

Veelvoorkomende oorzaken van hoge temperaturen in een PCB

1. Componentstoring die dissipatie veroorzaakt

Een veelvoorkomende oorzaak van hoge hitte in een PCB is dat een onderdeel in de PCB niet goed werkt en dissipeert, waardoor het niet de hoeveelheid stroom genereert die het normaal gesproken produceert. Wanneer dit gebeurt, moeten de omliggende componenten meer stroom opwekken om te compenseren. Meer stroom opwekken leidt tot het risico van oververhitting.

2. Through-hole interferentie

Through-hole componenten en heatsink componenten zijn de componenten van de PCB die stroom leveren. Ze genereren warmte en geven deze af aan de lucht. Als een koellichaam verkeerd is gesoldeerd, of als een ander onderdeel van de print het doorlopende gat verstoort, zullen de andere componenten meer warmte genereren dan normaal om te compenseren. Dit scenario leidt ook tot een risico op oververhitting.

3. Afstand tot apparaat voor opbouwmontage

Surface-mount devices (SMD's) worden op dezelfde manier op de printplaat aangesloten als componenten met doorlopende gaten. Ze zorgen voor een soepelere stroom door de doorlopende gaten en de componenten van het koellichaam. Maar de through-hole componenten en de SMD's moeten op de juiste afstand van elkaar worden geplaatst. Als ze te ver weg zijn, zal de stroom verder moeten reizen. De extra tijd die de stroom nodig heeft om te reizen, kan ervoor zorgen dat de ontvangende componenten te lang koel blijven. Als dat gebeurt, kunnen andere componenten oververhit raken om te compenseren.

4. Hoogfrequente circuits

Hoge temperaturen zijn vooral waarschijnlijk in toepassingen die gebruik maken van hoogfrequente circuits. De reden is dat het opwekken van meer stroom natuurlijk meer warmte produceert.

Radiofrequentiecircuits vertegenwoordigen bijvoorbeeld een snelgroeiende sector in PCB-engineering. Deze circuits zijn zeer complex, maar hebben veel nuttige toepassingen, van draadloze beveiliging in medische en industriële producten tot smartphones. Deze hoogfrequente circuits hebben de neiging enorme hoeveelheden warmte te genereren, dus voor dit soort PCB's zijn speciale ontwerptechnieken nodig.

5. Loodvrij soldeer

Als geheel beweegt de PCB-industrie in de richting van de beperking van gevaarlijke stoffen (RoHS). RoHS-printplaten gebruiken loodvrij soldeer en loodvrij soldeer vereist hoge temperaturen zodat het vrij kan stromen.

Hoge temperaturen in een PCB voorkomen

Zoals we hebben gezien, is het voorkomen van een temperatuurstijging van PCB's van cruciaal belang. Maar hoe kun je warmte in een printplaat verminderen? Ingenieurs kunnen een paar verschillende PCB-warmteafvoertechnieken gebruiken:

1. Koellichamen

Een PCB is in feite een warmtegenererende fabriek vanwege alle warmteproducerende componenten die het bevat. De PCB heeft een manier nodig om al die thermische energie af te voeren. Over het algemeen heeft het antwoord betrekking op koellichamen. Koellichamen voeren de warmte veilig af, zodat deze zich niet ophoopt en het bord beschadigt.

2. Fans

De meeste elektronische apparaten bevatten ventilatoren voor koeling, en een deel van het doel van die ventilatoren is om PCB's te helpen koelen. Koelventilatoren verspreiden de warmte uit elektronische apparaten terwijl ze koele lucht binnenlaten, waardoor oververhitting wordt voorkomen en de levensduur en prestaties van de printplaat worden verlengd.

3. Materialen en componenten overwegen

Het kiezen van hittebestendige materialen is een van de meest effectieve strategieën om warmte in een PCB te verminderen. Zware koperen PCB's die zijn geconstrueerd met dikke koperen platen, zijn bijvoorbeeld uitstekende keuzes vanwege hun duurzaamheid en hun vermogen om hoge temperaturen te weerstaan. Ze kunnen hogere stromen aan, zijn langer bestand tegen hogere temperaturen en bieden sterkere aansluitpunten dan standaardprintplaten. Om deze redenen zijn ze bijzonder nuttig in de automobiel-, luchtvaart-, zware machines en stroomomvormertoepassingen en andere zware omgevingen.

Veel PCB's bevatten FR-4, dat weliswaar nuttig is als vlamvertrager, maar geen extreem hoge temperaturen kan verdragen. Wetende dat een PCB FR-4 in zijn constructie bevat, kunnen ingenieurs circuits ontwerpen die niet meer warmte genereren dan het materiaal kan weerstaan.

Materialen zoals RF-materialen - gebruikt in radiofrequentiecircuits - en polyamide zijn ook gevoelig voor hoge temperaturen. Polytetrafluorethyleen (PTFE) komt zeer veel voor in RF-platen, maar het kan uitsmeren onder de hitte van het boren en het uitstrijkje is erg moeilijk te verwijderen. Deze materialen komen niet zo vaak voor in PCB's als FR-4, maar ingenieurs moeten voorzichtig zijn in hun ontwerpen als ze ook met deze materialen werken. Het gebruik van een hoge temperatuur laminaat in deze situaties wordt sterk aanbevolen.

4. Plaatdikte en -breedte vergroten

In PCB's hebben dikkere platen de neiging om de warmte minder goed te geleiden dan dunnere. Ze hebben meer vermogen nodig om hoge temperaturen te bereiken, dus met de juiste techniek kunnen ze het risico op oververhitting, kromtrekken en verstoring helpen verminderen.

5. Laminaten aanbrengen

Het aanbrengen van laminaten is een andere manier om schade door hoge temperaturen te voorkomen. PCB-laminaten met hoge temperaturen kunnen oververhitting voorkomen door de componenten van de PCB tegen hitte te beschermen.

Laminaten voor hoge temperaturen moeten de volgende beschermende eigenschappen hebben:

• Glasovergangstemperatuur (TG):Glasovergangstemperatuur verwijst naar de temperatuur waarbij polymeren thermodynamisch verschuiven van stijf naar zacht. High-TG PCB's bieden superieure bescherming.
• Tijd tot delaminatie:Hoge hitte kan een PCB-laminaat na verloop van tijd delamineren. De beste laminaten zullen bij hoge temperaturen veel tijd nodig hebben om te delamineren.
• Vochtabsorptie:PCB-laminaten moeten betrouwbare, beschermende vochtabsorberende eigenschappen hebben. Als de PCB in een luchtgestuurde omgeving zoals een laboratorium zal werken, heeft vochtabsorptie mogelijk geen hoge prioriteit. Maar als de printplaat zal werken in een omgeving waar hij kan worden blootgesteld aan de elementen, zijn voldoende vochtabsorberende capaciteiten van cruciaal belang.
• Ontbindingstemperatuur (TD):Ontledingstemperatuur verwijst naar de temperatuur waarbij 5% van de massa van het laminaat verloren gaat door ontbinding. Een hoge ontledingstemperatuur biedt superieure bescherming.
• Z-as uitzetting:Z-as uitzetting verwijst naar de uitzetting van het materiaal langs de z-as als een percentage van de thermische uitzettingscoëfficiënt. Lagere z-asuitbreiding biedt ook superieure bescherming.

6. CTE's uitlijnen

De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) meet hoeveel een materiaal uitzet bij blootstelling aan hoge temperaturen. Bij PCB-ontwerp is het ideaal dat de diëlektrische lagen een vergelijkbare CTE hebben als die van de koperlagen. Op die manier, als de lagen uitzetten, doen ze dat op een uniforme manier die tot minimale schade leidt.

In een stapel met meerdere lagen zullen de lagen, als CTE's niet zijn uitgelijnd, met radicaal verschillende snelheden uitzetten, wat kromtrekken en verstoring kan veroorzaken. Als deze ongelijkmatige uitzetting optreedt tijdens de PCB-montage, kunnen de verkeerde uitlijningen ook ernstige problemen veroorzaken bij het boren.

Het kiezen van PCB-materialen met lagere CTE's helpt oververhitting te voorkomen. Zo heeft PTFE gevuld met geweven glas of microglasvezels uitstekende elektrische eigenschappen, maar heeft het ook een hoge CTE. Dit materiaal is dus een slechte keuze wanneer thermische taaiheid een topprioriteit is. Aan de andere kant heeft PTFE gevuld met keramiek een lagere CTE en presteert het veel beter bij hoge temperaturen, hoewel het een beetje aan elektrische eigenschappen verliest.

7. Voldoende afstand behouden

Het bepalen van de afstand tussen componenten op een PCB kan een lastig proces zijn. Als de kaartcomponenten te dicht bij elkaar staan, kan er overspraak optreden, dat wil zeggen dat verschillende componenten op ongewenste manieren met elkaar kunnen gaan interageren. Deze ongewenste interacties leiden tot iets dat bekend staat als het skin-effect. Wanneer het skin-effect optreedt, nemen de spoorweerstanden toe, wat leidt tot weerstandsverliezen en het toevoegen van warmte aan het circuit. Het skin-effect komt vooral veel voor bij hoogfrequente PCB's, dus ingenieurs moeten extra voorzichtig zijn met de afstand tussen de onderdelen om te voorkomen dat de boards oververhit raken.

8. Heatpipes correct integreren

Warmtepijpen in een PCB kunnen ook helpen bij het verspreiden van warmte. De vloeistof in de leidingen kan warmte absorberen en voorkomen dat deze de componenten van de plaat beschadigt.

9. Maximaliseren van RTI en MOT

Relatieve thermische index (RTI) en maximale bedrijfstemperatuur (MOT) zijn twee relevante metingen waar ingenieurs zorgvuldig op moeten letten bij het ontwerp van PCB's.

RTI geeft de hoogste temperatuur aan die een materiaal aankan zonder veranderingen in de eigenschappen of een vermindering van de prestaties te ondergaan. MOT verwijst naar de hoogste temperatuur die een bepaalde printplaatconfiguratie kan weerstaan ​​zonder veranderingen in de eigenschappen of vermindering van de prestaties te ondergaan. Ingenieurs moeten beide metingen in gedachten houden bij het ontwerp van PCB's en materialen en circuitcomponenten kiezen met een robuuste hittebestendigheid zoals bepaald door deze statistieken.

Neem contact op met MCL voor al uw PCB-behoeften

Als u PCB's nodig heeft die zijn ontworpen voor temperatuurregeling, maak dan van Millenium Circuits Limited uw vertrouwde leverancier voor technische oplossingen. Onze PCB-laminaten voor hoge temperaturen helpen het risico op oververhitting van PCB's te verminderen, en onze zware koperen PCB's en PCB's met een hoge TG bieden een superieur vermogen om hoge temperaturen te weerstaan. We kunnen ook helpen bij het ontwerpen van aangepaste PCB's volgens uw specificaties.

Neem vandaag nog contact met ons op voor een offerte of voor meer informatie.

Vraag een gratis offerte aan