Interne Thermische Dissipatie van PCBs Optimaliseren via Geavanceerde Thermische Modelling

De snelle ontwikkeling van elektronische technologie leidt tot directe verbetering van rekensnelheid, rekenfrequentie en integriteit van elektronische producten. Bovendien, met krimpend volume van elektronische producten, wordt volumetrische vermogensdichtheid steeds hoger. De ontwikkelingsrichting van dunner, lichter en miniatuur zorgt ervoor dat elektronische componenten een toenemende calorische waarde per eenheidsvolume hebben. Met de upgrade van elektronische producten wordt hun betrouwbaarheid slecht beïnvloed door de snel stijgende warmtestroomdichtheid in PCBs. Volgens het 10-graden-principe daalt bij elke temperatuurstijging van 10 °C een deel van de parameters van sommige componenten met de helft. Volgens onderzoek zijn 55% van elektronische apparaten beschadigd omdat de temperatuur de nominalwaarde van componenten overschrijdt. Redelijke componentenlayout en PCB-thermische dissipatie zijn daarom de hoofdpunten die ingenieurs moeten overwegen.

Thermisch ontwerp van elektronische producten wordt meestal verdeeld in: systeemniveau, bordniveau en pakketniveau. Bordniveau thermisch ontwerp betreft thermisch ontwerp van koelkörper, elektronisch schabloon en PCB. Dit artikel biedt een nieuwe warmtedissipatiemethode die warmte aan de onderkant van componenten snel naar buiten overbrengt en het dissipatieoppervlak van componenten vergroot zonder PCB-layout te beïnvloeden, met als doel de temperatuur van componenten en temperatuursverschil te verlagen. Vergeleken met traditionele dissipatiemethoden heeft deze nieuwe methode kenmerken zoals: meerdere dissipatiestructuren, vermindering van PCB-thermische spanning en kleine ruimtebeslag. De algehele PCB-thermische dissipatie is anisotroop door meerdere patronen van PCB-lagen (bovenlaag, onderlaag, routinglaag) wat leidt tot meerdere kenmerken zoals koperinhoud, koperdikte, doorboorgaten en posities. Gebaseerd op thermische analyse-software en fysieke vorm en thermische eigenschappen van componenten, stelt dit artikel een vereenvoudigd PCB- en componentenmodel op en bespreekt de lengte, breedte en hoeveelheid van koelvinnen met experimentresultaten uit simulatiedata-analyse onder verschillende condities.

Thermische Analyse Principes

Thermische analysetheorie op PCB-bordniveau is gebaseerd op de basisprincipes van warmteoverdrachtstheorie. Warmteoverdracht kent drie modi: warmtegeleiding, warmtestraling en warmtestraling, waarbij warmtegeleiding de leidende dissipatiemethode is.

Volgens Fourier's wet over warmteoverdracht: in een differentiële laag met dikte d in x-richting, is de energie die d per eenheidstijd passeert recht evenredig met de oppervlakte A van de temperatuurveranderingsgradiënt, weergegeven in formule .

In deze formule: Q (W) = energie die oppervlakte A per eenheidstijd passeert (warmtestroom). A (m²) = dwarsdoorsnede-oppervlakte in geleidingsrichting. L (m) = lengte van geleidingspad. k [W/(m·°C)] = warmteleidingscoëfficiënt. Δt (°C) = temperatuurverschil tussen twee kanten van d. x (m) = pad van warmtestroom. Minus teken geeft tegengestelde richting van warmteoverdracht en temperatuurstijging aan.

Warmtestroomdichtheid q (W/m²) = hoeveelheid warmtestroom die per eenheidstijd door eenheidsoppervlakte A passeert, formule .

Verschillende materialen hebben verschillende warmteleidingscoëfficiënten k; een hoge waarde duidt op uitstekende geleiding.

PCB Thermische Weerstandstheorie

PCB is een complexe meerlaagse structuur met anisotrope warmtegeleiding. Bij PCB-thermische analyse is de materiaalstructuur in elke laag verschillend, wat modellering bemoeilijkt door grote aantallen roosters en lage berekeningssnelheid. Dit artikel gebruikt een vereenvoudigd model met thermische analyse-software. Het vereenvoudigde meerlaagse PCB-model staat in Figuur 1.

Stel dat koperlaag en FR-4-laag dezelfde dikte hebben en elke laag dezelfde spacing. kₙ (normale warmteleiding) en kₚ (warmteleiding per laag) beschrijven thermische prestaties. Formules voor kₙ en kₚ:

Waarbij: δ_Cu = dikte per koperlaag; k_Cu = warmteleiding koper (388 W/(m·°C)); k_j = warmteleiding per koperrouting; δ_F = dikte per FR-4-laag; k_F = warmteleiding FR-4 (0,35 W/(m·°C)); δ_PCB = totale PCB-dikte; A_j = totale koperrouting-oppervlakte op laag j. PCB-thermische weerstand in vereenvoudigd model in Figuur 2.

Temperatuur van PCB boven- en onderlaag: t₁ en t₂; totale overgedragen warmte: Q; totale weerstand: R; thermische weerstand per laag in dikterichting: R₁, R₂, R₃ en bij lengtes L₁, L₂, L₃; bordoppervlakte: A. Op basis van Figuur 2(a) (alleen verticale oriëntatie): R₁ = L₁/(A·k₁), R₂ = L₂/(A·k₂), R₃ = L₃/(A·k₃). Op basis van Figuur 2(b) (alleen horizontale oriëntatie): R₁ = L/(A₁·k₁), R₂ = L/(A₂·k₂), R₃ = L/(A₃·k₃), 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃. Totale warmteweerstand in verticale en horizontale oriëntatie via serie-parallel verbinding: Q = (t₁ - t₂)/R.

Uit de formules blijkt dat de totale thermische weerstand in horizontale oriëntatie veel lager is dan in verticale. Als koper horizontaal in PCB wordt verwerkt, wordt betere dissipatie verkregen. Een dubbellaags PCB wordt als analyse-object gekozen. Figuur 3 is schets van PCB verwerkt koper.

Simulatie-analyse en Verificatie

PCB Model Ontwerp

Grootte van vereenvoudigd model in onderstaande tabel.

Component in het midden van PCB met warmtebron met verwerkt koper eronder. Koper koelvinnen verwerkt aansluitend aan koper. Figuur 4 is simulatiemodel met formaat 0,5 mm × 30 mm.

Een circuit met 2 A stroom is simulatieobject: spoorbreedte minimaal 0,5 mm, doorboorgaat 0,5 mm. Koelvinnen aansluitend aan verwerkte koper: min. 1 mm spacing. Koelvindbreedtes: 0,13; 0,25; 0,5; 0,75; 1 mm. Lengtes: 20; 30; 40 mm. Onder voorwaarde van 10 mm breedte en <1 mm spacing, aantal koelvinnen per breedte in onderstaande tabel.

Resultaatanalyse

Uit Tabel 2: verschillen in breedte en lengte van kopervinnen leiden allemaal tot aanzienlijke daling van componenttemperatuur. In de praktijk moeten geschikte PCB-lengte en vindbreedte worden gekozen rekening houdend met praktische situaties en koperkosten. Figuur 5: grafiek hoogste temperatuur; Figuur 6: grafiek laagste temperatuur.

Uit de trend: bij vindbreedte <0,5 mm daalt temperatuur sterk met toename van breedte. Bij >0,5 mm wordt daling stabiel. Temperatuurverschil is grootste bij 0,5 mm breedte met laagste materiaalkosten. Met toename van koelvinnen daalt componenttemperatuur.

Temperatuur daalt het meest (>5 °C) bij vindlengte 20–30 mm. Bij 30–40 mm daalt temperatuur minder (>2 °C). Daarom is 20–30 mm lengte met relatief lage kosten geschikt. Rekening houdend met dat koelvinnen niet te lang/breed mogen zijn: 0,5 mm breedte en 30 mm lengte is geschikt.

Figuur 7: PCB simulatie temperatuursverdeling zonder verwerkte koper; Figuur 8: met vinnen (30 mm lengte, 0,5 mm breedte).

Hoogste temperatuur daalt van 108,4 °C naar 88,6 °C (reductie 18,5%). Laagste temperatuur daalt van 98,3 °C naar 83,2 °C (reductie 15,3%). Vergelijking van temperatuurvelden: PCB met verwerkte koper verdeelt temperatuurveld gelijkmatiger en vermindert temperatuurverschil, vermijdt hotspots. PCB met verwerkte koper verlaagt componenttemperatuur, verbetert thermische dissipatie, verhoogt betrouwbaarheid aanzienlijk.

Nuttige bronnen:
• Meest uitgebreide principes van thermisch ontwerp voor PCBs
• Tips voor thermisch ontwerp voor FPGA-gecontrolleerde PCBs
• Ontwerp van high-power PCB in hoge temperatuuromgeving
• Metal Core PCB: ideale oplossing voor thermische problemen in PCB en PCBA
• Full Feature PCB Fabricageservice van PCBCart – Meerdere Value-added opties
• Advanced PCB Assembly Service van PCBCart – Start vanaf 1 stuk