Expert PCB-thermisch ontwerp: Praktische tips voor warmtebeheer

Met vermogenscomponenten die in steeds kleinere surface-mount verpakkingen komen, is het belangrijk om een coherente benadering te bedenken voor het mitigeren van de thermische afgifte-eisen van deze componenten in een PCB-ontwerp. Hoewel de ontwikkeling van een exacte wiskundige analyse van de thermische kenmerken 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. Uiteindelijk zal het correct controleren van de warmteafgifte in uw ontwerp u in staat stellen een betrouwbaardere en economischere PCB-ontwerp te produceren. Wat volgt is een korte discussie van het standaard thermische afgifte-model en daarna enkele algemene regels voor het omgaan met thermische afgifte in uw ontwerpen.

Eerst is het belangrijk om de terminologie te definiëren die door de rest van deze entry gebruikt gaat worden. De volgende figuur presenteert de verschillende componenten van een vermogens-IC die we moeten overwegen bij het bespreken van thermisch beheer. We zullen de temperatuur van de Junction, Top en Case van het component en hun thermische weerstanden tot de omgevingsomgeving doorheen dit artikel bespreken.

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

In de gepresenteerde figuur is T_J gedefinieerd als de temperatuur van de junction (het interne werkende deel van het component), T_T is de temperatuur van de "top" van de verpakking (meestal de plastieken behuizing van het component), T_C is de temperatuur van de "case" (dit is de temperatuur van de hoog-thermisch-geleidende pads van het component en de aangehechte PCB) en T_A is de omgevingstemperatuur. Het doel van de elektronica-ontwerper is dan om de laagst mogelijke thermische weerstand te produceren tussen de junction en de omgevingsomgeving. Met uitzondering van θ_CA, zijn de thermische weerstanden van het systeem (θ_JT, θ_TA en θ_JC) gedefinieerd door de eigenschappen van het component en kunnen uit het datasheet voor gezegd component worden gehaald. Als PCB-ontwerper hebben we voornamelijk invloed op de waarde van θ_CA, wat afhangt van ons PCB-ontwerp. Als zodanig is de primaire uitdaging voor de ontwerper de reductie van de thermische weerstand van de IC's case naar de omgevingsomgeving door deze weerstand te verlagen. Hoe goed we in staat zijn om deze thermische weerstand (θ_CA) te verlagen, zal grotendeels het temperatuursverschil (of gebrek daaraan) bepalen dat zich zal ontwikkelen tussen de omgevingsomgeving en de junction van het component.

Op te merken is dat het andere pad voor thermische geleiding de plastic behuizing (of de "top") van het component is. Aangezien de plastic verpakking van de meeste vermogenscomponenten geen goed thermisch pad naar de omgevingsomgeving biedt, is de efficiëntie van thermische afgifte van het ontwerp zwaarder afhankelijk van de capaciteit van het ontwerp om thermische energie naar de omringende omgeving via zijn case af te voeren. De enige uitzondering is wanneer de vermogens-IC in kwestie ontworpen is met een thermische pad op de top van het component. In dat geval is de IC ontworpen voor een warmtewisselaar om direct aan de top van de IC te worden bevestigd en de thermische afgifte van het component door zijn "top" wordt een veel belangrijker factor in het ontwerp.

De standaardbenadering om warmte van vermogenscomponenten weg te leiden is door ze thermisch te verbinden met aangrenzende koper-vlakken via thermische doorvoeringen. Dit wordt typisch bereikt door een aantal doorvoeringen in de footprint van de vermogens-IC te plaatsen. Deze doorvoeringen bieden een thermische verbinding met de koperlagen onder de IC, die dan warmte van het component wegleiden.

Boventreffend, hoe meer vermogens-kopervlakken verbonden zijn met de vermogens-IC door gezegde thermische doorvoeringen, hoe hogere efficiëntie van thermische afgifte van de PCB. bv. het gebruik van een 4-laags ontwerp vs. een 2-laags ontwerp kan de warmteafgiftecapaciteit van de PCB met maximaal 30% verhogen bij vergelijking van dezelfde oppervlakte van die ontwerpen.

De volgende ontwerpregels worden aangeboden als een goed startpunt voor het benaderen van de thermische overwegingen van uw ontwerp.

1. a. Om 1 watt vermogen af te voeren, is een goede duimregel dat uw bord een oppervlakte van 15,3 cm² of 2,4 in² per watt af te voeren nodig heeft voor een 40°C stijging in bordtemperatuur. Als het bord aan luchtstroom blootgesteld is, kan deze vereiste gehalveerd worden (7,7 cm² of 1,2 in² per watt). Deze waarden veronderstellen dat het component thermisch gekoppeld is aan een kopervlak dat zich uitstrekt tot de randen van het bord en dat het bord gepositioneerd is zodat lucht vrij kan stromen rond beide kanten van het bord. Als deze vermogensdichtheidsvereisten te beperkend zijn voor uw ontwerp, kan de opname van een externe warmtewisselaar vereist zijn. Ook is een 40°C temperatuurstijging een goed startpunt om te overwegen bij het controleren van uw schakelkaartstemperatuur.
2. b. Wanneer er meer dan één vermogenscomponent op een bord geplaatst wordt, is het best practice om die componenten zo te plaatsen dat uw PCB gelijkmatig wordt opgewarmd door deze componenten. Grote temperatuursverschillen over de lengte van uw PCB-ontwerp laten uw PCB niet optimaal thermische energie wegleiden van de gemonteerde vermogenscomponenten. Als beschikbaar voor de ontwerper, kan thermische imaging toestaan voor de empirische inspectie van uw componentenplaatsing zodra een ontwerprevisie compleet is.
3. c. Hoe meer doorvoeringen u onder uw component kunt plaatsen, hoe beter uw PCB thermische energie zal vertalen naar het verbonden kopervlak. Array doorvoeringen om het aantal in contact met de vermogens-pads van uw verpakking (de grote thermisch geleidende pads van het component) te vergroten.
4. d. In ontwerpen die hogere wattages afvoeren, zult u hogere kopergewichten moeten gebruiken. 1oz koper wordt aanbevolen als startpunt voor vermogensontwerpen.
5. e. Bij het gebruik van een koper-uitvloeiing om thermische energie van een component weg te leiden, is het belangrijk dat de uitvloeiing niet wordt onderbroken door sporen die loodrecht lopen op het thermische pad van de vermogenscomponent.
6. f. Als een warmtewisselaar gebruikt moet worden om de temperatuur van het systeem in tolerantie te houden, is het op te merken dat de warmtewisselaar doorgaans veel effectiever zal zijn als deze zo geplaatst wordt dat het thermisch verbonden is met de case van het component. Dit betekent typisch de warmtewisselaar bevestigen aan de tegenovergestelde kant van het bord van een surface-mounted component. Hoewel het verleidelijk kan zijn om een warmtewisselaar direct op de top van het component te plaatsen, zal de thermische weerstand van de plastic behuizing van het component de warmtewisselaar on-effectief maken. Zoals hierboven opgemerkt, zijn de uitzonderingen op deze regel verpakkingen expliciet ontworpen om warmtewisselaars aan hun "tops" te bevestigen.

Samenvattend, de thermische prestaties van een ontwerp is zeer belangrijk om te overwegen wanneer u werkt met vermogenscomponenten. Het gebruik van de ontwerpregels gepresenteerd in dit artikel vroeg in het ontwerpproces van uw PCB zal u een goede voorsprong geven op het controleren van de temperatuur van uw PCB en u laten vermijden van drastische herontwerpen later in het ontwikkelproces.

Nuttige bronnen

• De meest uitgebreide principes van thermisch ontwerp voor PCB's
• Interne thermische afgifte-ontwerp van PCB gebaseerd op thermisch model
• Tips van thermisch ontwerp voor PCB's gecontroleerd door FPGA-systeem
• Ontwerp van hoog-vermogen PCB in hoge-temperatuur omgeving
• Metal Core PCB een ideale oplossing voor thermische problemen in PCB en PCBA
• Full Feature PCB Manufacturing Service van PCBCart - Meerdere toegevoegde waarde opties
• Advanced PCB Assembly Service van PCBCart - Start vanaf 1 stuk