PCB-thermisch ontwerp beheersen: Essentiële principes voor betrouwbaarheid

Het wordt geschat dat meer dan de helft van de elektronische componenten faalt door hoge stress als gevolg van de thermische omgeving. In de afgelopen jaren hebben grootschalige en hyper-grootschalige geïntegreerde schakelingen (IC's) en surface mount technologie (SMT) zich wijdverspreid, en elektronische producten ontwikkelen zich in de richting van miniaturisatie, hoge dichtheid en hoge betrouwbaarheid. Daardoor stellen elektronische systemen steeds hogere eisen aan thermische prestaties. Thermisch beheer speelt immers een cruciale rol in het bepalen van de prestaties en functies van elektronische systemen, sinds het ontstaan van elektronische producten.

Als ruggengraat van elektronische apparaten, zorgt een rationeel ontwerp van PCB's (geprinte schakelkaarten) voor hun hoge prestaties. Als PCB-ontwerp deels of zelfs volledig niet voldoet aan thermische eisen, zullen elektronische apparaten zeker schade riskeren of zelfs uitvallen. De toenemende integriteit van schakelmodules en het massale gebruik van IC's en multi-chip modules (MCM) dragen bij aan de verbetering van de componentenmontagedichtheid, wat vervolgens leidt tot een hogere warmtestroomdichtheid op PCB's. Hoogwaardige PCB's voortvloeien niet alleen uit nauwkeurige en rationele layout en routing, maar vertrouwen ook op hoge thermische betrouwbaarheid voor veilige werking. Het is daarom van groot belang om uitgebreide thermische afvoergeregels en -analyses op PCB's toe te passen. Dit artikel begint met de basisprincipes van thermisch ontwerp en introduceert ingenieursvriendelijke thermische ontwerpregels voor handige toepassing door elektronica-ontwerpers in hun werk.

Basisprincipes van thermisch ontwerp

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

De formule voor warmteoverdracht wordt weergegeven als: Φ=KAΔt, waarin Φ staat voor de hoeveelheid warmteoverdracht wiens eenheid W is, K staat voor de warmteoverdrachtscoëfficiënt wiens eenheid W/(m²·K) is, A staat voor het warmteoverdrachtsoppervlak wiens eenheid m² is en Δt staat voor het temperatuursverschil tussen warme vloeistof en koude vloeistof wiens eenheid K is.

Thermisch ontwerp van PCB's wordt gedefinieerd als het proces waarbij de thermische weerstand van warmtebron naar warmteverbruiksruimte tot het minimum wordt verlaagd door koelmaatregelen door thermische transmissie-eigenschappen of de dichtheid van warmtevloeistof wordt gecontroleerd binnen een acceptabel bereik. Om de betrouwbaarheid te waarborgen, moeten geldige thermische ontwerpmaatregelen worden genomen vanuit de volgende perspectieven:

• a. Natuurlijke koeling, die warmte geleidt zonder externe kracht. Het omvat warmteleiding, stralingswarmteoverdracht en natuurlijke convectie-overdracht.
• b. Geforceerde luchtkoeling. Het laat koellucht stromen door elektronische apparaten of componenten, warmte overbrengend van warmtebron naar warmtewisselaar via ventilator of ram-lucht.
• c. Vloeistofkoeling. Er zijn twee methoden van vloeistofkoeling:
  1). Directe vloeistofkoeling verwijst naar het proces waarbij componenten direct in de vloeistof-koelmedium gedoopt worden.
  2). Indirecte vloeistofkoeling verwijst naar het proces waarbij componenten niet direct in contact zijn met het vloeistof-koelmedium. Koeling vindt plaats via warmtewisselaar of koude plaat.
• d. Verdampingskoeling. Momenteel is dit de meest effectieve warmteleidingsmethode. Thermische transmissie wordt verkreken door koken van het koelmedium.
• e. Andere soorten koelmaatregelen: heatpipe, koude plaat, thermo-elektrische koeling.

In het proces van thermisch beheer kunnen passende thermische ontwerpmaatregelen worden genomen volgens praktische omstandigheden zoals de praktische werkomgeving (temperatuur, vochtigheid, luchtdruk, stof etc.), warmtevloeistofdichtheid op het bord, vermogensvolume-dichtheid en totaal vermogensverbruik, oppervlakte, volume, warmtewisselaar en andere speciale voorwaarden, om een gelijke verdeling van temperatuur en redelijke temperatuurstijging binnen de gereguleerde limiet te waarborgen.

Thermische ontwerpregels

Het algemene doel van thermisch ontwerp is om de temperatuur van alle elektronische componenten gemonteerd op schakelkaarten in elektronische producten te controleren, de stabiliteit van de elektrische prestaties te waarborgen, temperatuurdrifting van elektrische parameters te voorkomen of te verminderen, de basis-falingsratio van componenten te verlagen, en de temperatuur in de werkomgeving niet boven de maximaal toelaatbare temperatuur te laten stijgen. Dit artikel beschrijft PCB-thermische ontwerpregels in 3 perspectieven: het gebruik van componenten op PCB's, thermisch ontwerp van PCB's, componentenmontage en PCB-layout.

a. Gebruik van elektronische componenten

1). Hoe de werkingtemperatuur van componenten te controleren?

Temperatuur is het eerste element dat componentenprestaties en falingsratio beïnvloedt. De hoogst toelaatbare werkingtemperatuur en het vermogensverbruik moeten worden bepaald volgens het vereiste betrouwbaarheidsniveau en de verdeelde falingsratio van elke component. Tabel 1 toont de waarden van de toelaatbare maximale oppervlaktetemperatuur van componenten vanuit het perspectief van betrouwbaarheid in thermisch ontwerp.

2). Hoe de component-knooppunttemperatuur te controleren?

Component-knooppunttemperatuur hangt af van het eigen vermogensverbruik, thermische weerstand en omgevingstemperatuur. Dus maatregelen om de knooppunttemperatuur binnen een toelaatbaar bereik te houden omvatten:

• Componenten met lage interne thermische weerstand selecteren.
• Derating gebruiken om de temperatuurstijging te verlagen.
• Schakelingen, met name die met vermogenscomponenten, moeten voor betrouwbaarheid afhangen van uitgebreid thermisch ontwerp met richtlijnen uit standaardhandleidingen.

3). Hoe derating te ontwerpen wanneer componenten gebruikt worden?

Op basis van behoeften kan derating-ontwerp in de praktijk worden geïmplementeerd om componenten te laten presteren in de toestand van beneden de genormeerde parameter (vermogen, spanning, stroom), zodat temperatuurstijging en falingsratio dramatisch worden verminderd.

b. Thermische ontwerpregels van PCB's

De verticale montage van PCB's is gunstig voor warmteafgifte en de afstand tussen borden moet minimaal 20mm worden gehandhaafd. Bord-thermische ontwerpregels omvatten:

1. Materiaal met hoge temperatuurbestendigheid en hoge geleidingsparameter kiezen als substraatmateriaal van PCB's. Bij schakelingen met hoog vermogen en hoge dichtheid kunnen aluminium-basis en keramiek als substraatmateriaal worden gebruikt vanwege hun lage thermische weerstand (PCBCart is volledig in staat om PCB's met die substraatmaterialen te fabriceren. U kunt uw PCB-bestanden samen met hoeveelheidsvereiste op deze pagina sturen voor offerte voor aluminium-gebaseerde en keramiek-gebaseerde PCB's).
2. Meerlaagse structuur is een optimale keuze voor PCB-thermische afgifte.
3. Om de warmteleidingscapaciteit van schakelkaarten te verbeteren, is het het beste om borden te gebruiken die warmte afvoeren. Metal-core bord kan in meerlaagse PCB's worden toegepast om uitstekende warmteafgifte tussen bord, ondersteunende apparaten en warmteafgifte-apparaten te verkrijgen. Beschermende coating en encapsulerend materiaal kunnen indien nodig worden gebruikt om thermische transmissie naar ondersteunende apparaten of warmteafgifte-apparaten te versnellen.

4. Om de warmteafgiftecapaciteit van PCB's te vergroten, kan een busbar worden gebruikt, wat beschouwd kan worden als een uitstekende radiator en in staat is de anti-storing prestaties van PCB's te verhogen.
5. Om de thermische afgiftecapaciteit van PCB's te verbeteren, moet de dikte van metaalfolie worden verhoogd, en de interne geleider moet metaalfolie met groot oppervlak gebruiken. Bovendien moet de breedte van massalijnen op de juiste manier worden vergroot, omdat massalijnen met groot oppervlak zowel in staat zijn de anti-storing capaciteit te verhogen als de warmteafgifte capaciteit.

c. Componentenmontage en PCB-layout

Componentenlayout is essentieel voor de thermische prestaties van PCB's, met name die verticaal geplaatst zijn. Componentenmontagerichting moet voldoen aan de stroomkarakteristieken van koelmedium om het koelmedium de minste weerstand te bieden. De regels die van toepassing zijn op componenten ten aanzien van montage en layout omvatten:

1. Voor producten met vrije convectie luchtkoeling, is het het beste om IC's of andere componenten in lengte-richting te rangschikken zoals getoond in het voorbeeld in Figuur 2 hieronder. Voor producten met geforceerde luchtkoeling, is het het beste om IC's of andere componenten in breedte-richting te rangschikken zoals getoond in Figuur 3 hieronder.

2. De componenten op dezelfde PCB moeten geclassificeerd en geplaatst worden volgens hun warmteproductie en warmteafgifte niveau. Componenten met lage warmteproductie of lage warmteweerstand (klein-signaal transistor, small-scale IC, electrolytische condensator, etc.) moeten upstream (ingang) geplaatst worden, terwijl componenten met hoge warmteproductie of hoge warmteweerstand (frequentie transistor, hyper-scale IC, etc.) downstream moeten worden geplaatst. Aan de rand van kleine-signaal versterkers moeten componenten met kleine temperatuurdrifting en vloeistofmedium condensatoren ver van de warmtebron geplaatst worden.
3. Op de horizontale richting moeten componenten met hoge frequentie aangrenzend aan de rand van PCB's gerangschikt worden om het warmtetransmissiepad te minimaliseren. Op de verticale richting moeten componenten met hoge frequentie dicht bij het bovenste deel van PCB's gerangschikt worden om hun invloed op de temperatuur van andere componenten te verminderen.
4. Componenten die gevoelig zijn voor temperatuur, moeten op het gebied met de laagste temperatuur gerangschikt worden, zoals de bodem van een product. Ze mogen niet recht boven componenten die warmte produceren geplaatst worden en moeten ver van componenten die warmte produceren geplaatst worden of van ze geïsoleerd worden.
5. Componenten met de meeste vermogensverbruik en warmteopwekking moeten angrenzend aan de beste plek voor warmteafgifte gerangschikt worden. Nooit componenten met hoge temperatuur in de hoek of aan de rand rangschikken, tenzij radiators eromheen gerangschikt zijn. Bij het rangschikken van vermogensweerstanden, moeten relatief grote componenten gekozen worden en voldoende warmteafgifte ruimte moet voor hen gelaten worden in het proces van PCB-layout.
6. Vermogen moet gelijkmatig op PCB's verdeeld worden om balans en conformiteit te handhaven en concentratie van hittepunten te voorkomen. Het is moeilijk om strikte uniformiteit te bereiken, maar gebieden met extreem hoog vermogen moeten vermeden worden, omdat oververhit punt de normale werking van de hele schakeling kan breken.
7. In het proces van PCB-ontwerp moet het luchtstroompad volledig overwogen worden en componenten redelijk gerangschikt. Lucht neigt ertoe naar de plek met weinig weerstand te stromen, dus relatief grote luchtspaties moeten vermeden worden bij het rangschikken van componenten op PCB's.
8. Thermische montage technologie moet op schakelkaarten toegepast worden om relatief goed warmteoverdrachtseffect te bereiken. Meer dan de helft van de warmte die gegenereerd wordt door componenten zoals IC's en microprocessors, wordt over hun eigen pootjes naar PCB's overgedragen, wier montagegaten metaalbeplaatste gaten moeten gebruiken. Deze componenten kunnen ook direct op thermische geleidingsstok of plaat gemonteerd worden om de thermische weerstand die door componenten veroorzaakt wordt, te verminderen.
9. Thermische weerstand moet zoveel mogelijk verlaagd worden in de verbindingen tussen componenten met hoge warmteafgifte en PCB's. Om te voldoen aan de eis van warmtekarakteristieken, kunnen sommige warmteleidende materialen onder de chip gebruikt worden en de warmteafgifte van componenten in het contactoppervlak moet behouden blijven.
10. Pootjes van componenten moeten in de verbinding van componenten en PCB's ingekort worden. Bij het selecteren van componenten met hoog vermogensverbruik, moet de geleidbaarheid van pootmateriaal overwogen worden. Indien mogelijk, kies componenten wier pootjes grotere doorsnede hebben en die de meeste pootjes hebben.

d. Andere vereisten

1. Componentenverpakking: componentenverpakkings type en warmteleidingscoëfficiënt moeten overwogen worden in PCB-thermisch ontwerp. Warmteleidingspad kan tussen substraat en componentenverpakking worden geboden en luchtbreuk moet op warmteleidingspad vermeden worden.
2. Technische methode: lokale hoge temperatuur kan ontstaan in gebieden met componenten aan beide kanten van het bord. Om de warmteafgifteconditie te veranderen, kan er fijn koper in de soldeerpasta worden toegevoegd, zodat de soldeerpunten onder componenten tot een bepaalde hoogte rijzen. Luchtruimte wordt vergroot tussen componenten en PCB, zodat thermische convectie verbeterd kan worden.
3. Warmteafgifte gaten: sommige warmteafgifte gaten en blinde gaten kunnen op PCB's gerangschikt worden, zodat warmteafgifte oppervlak effectief verhoogd kan worden, thermische weerstand verlaagd kan worden en vermogensdichtheid van PCB's verhoogd kan worden.

Thermische analyse

Op basis van computationele warmteoverdracht, thermische analyse wiens numerieke berekeningsmethoden voornamelijk bestaan uit eindige differentiemethode, eindige elementenmethode en rand-elementenmethode, verwijst 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 procedure 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. PCB-thermische analyse verwijst naar het proces van het opstellen van het thermische model van componenten en het instellen van simulatie-controleparameters volgens de structuur en grondstof van PCB's, verpakkings type van componenten en PCB-werkomgeving om waarden van thermisch gedrag van PCB's te schatten. Thermische analyse moet uitgevoerd worden in de conceptfase voor layout en gedurende het hele proces van PCB-ontwerp.

Waarden van componententemperatuur, bordtemperatuur en luchtstroomtemperatuur kunnen uit thermische analyse verkregen worden, die de thermische kenmerken van PCB's weergeven in de vorm van gekleurde afbeeldingen, temperatuur-isothermen visualisatie of specifieke data.

Op basis van het resultaat van thermische analyse, kunnen thermische problemen van PCB snel ontdeken worden en tijdige maatregelen kunnen passend genomen worden en hoge-temperatuur-dichte gebieden kunnen geëlimineerd worden, wat de warmteleidingspad zal bepalen, de posities van sleutelcomponenten, de vorm van de radiator en grootte optimaliseren om volledig voordeel te halen uit de warmteafgifte-snelheid, de warmteoverdrachtsefficiëntie van warmteafgifte gaten en radiators verhogen en de ruimte tussen borden en componenten op borden bepalen.

PCBCart heeft rijke ervaring in het fabriceren van PCB's met geavanceerde functies

Sinds de oprichting in 2005 produceert PCBCart schakelkaarten voor klanten uit 80+ landen. Onze gefabriceerde PCB's worden breed gebruikt in bijna alle industrieën. U kunt contact met ons opnemen om uw aangepaste PCB-project hier te bespreken.

Nuttige bronnen

• PCB-thermische ontwerpoverwegingen
• Interne thermische afgifte-ontwerp van PCB gebaseerd op thermisch model
• Metal Core PCB een ideale oplossing voor thermische problemen in PCB en PCBA
• Hoe een PCB-fabrikant of een PCB-assembler te evalueren
• Full Feature PCB Fabrication Service van PCBCart
• Advanced PCB Assembly Service van PCBCart