High-Power PCBs Ontwerpen voor Hoge-Temperatuur Omgevingen

Als meest voorkomend geïntegreerd componentenplatform verbinden multilayer PCBs printplaten en componenten. Met elektronische producten die lichter, dunner, kleiner en hoger presterend worden, zijn IC-componenten hoog geïntegreerd, wat leidt tot hoge integriteit van PCBs. Hierdoor is warmteproductie aanzienlijk toegenomen en de thermische dichtheid van PCBs is gestegen, vooral door massaal gebruik van high-frequentie IC-componenten (A/D of D/A type) en stijgende circuitfrequentie. Als massale thermische verliezen niet worden afgevoerd, wordt de betrouwbaarheid van elektronische apparatuur sterk beïnvloed. Statistieken tonen aan dat temperatuur 55% van de factoren is die leiden tot falen van elektronische apparatuur – de nummer één oorzaak. Met stijgende temperatuur neemt de faalkans van elektronische componenten exponentieel toe. Een temperatuurstijging van 10 °C kan de faalkans van sommige componenten verdubbelen. Voor luchtvaartproducten kan deze thermische controle niet genegeerd worden; ongeschikt ontwerp in speciale omgevingen kan leiden tot complete systeemfout. Daarom moet grote aandacht gaan naar thermisch ontwerp tijdens PCB-ontwerp.

De analyse moet beginnen met oorzaakanalyse. De directe oorzaak van hoge PCB-temperatuur ligt in het bestaan van vermogensverbrandende componenten. Elk component heeft vermogensverbranding in verschillende mate die thermische sterkte verandert. Er bestaan twee typen temperatuurstijging: lokaal of groot gebied, kortdurend of langdurig. Warmteoverdracht heeft drie wegen: geleiding, convectie, straling. Straling lost warmte op via elektromagnetische golven door ruimte. Aangezien stralingsdissipatie relatief weinig warmte afvoert, wordt het meestal als hulpmethode gezien. Dit artikel introduceert een oplossing voor PCB-warmtedissipatie bij langdurige werking in hoge-temperatuur omgeving, gebaseerd op warmtegeleiding en warmte-opslagtechnologie met een servo-PCB als voorbeeld.

Op deze servo-PCB zitten 2 vermogensversterkerchips van 2 W, 2 R/D conversiechips, 2 CPU-chips, 1 EPLD-chip en 1 A/D conversiechip. Totale vermogen: 9 W. De servo-PCB is geïnstalleerd in een afgedichte omgeving met beperkte luchtconvectie. Vanwege beperkte ruimte kan geen koudeplaat-dissipatie worden geïnstalleerd. Alleen warmtegeleiding en warmte-opslagtechnologie kunnen warmte van PCB naar de behuizing overbrengen.

Een veelvoorkomende methode is warmtedissipatie via metal core PCB. Eerst wordt een metalen plaat met uitstekende warmtegeleiding tussen een multilayer PCB ingesloten. Vervolgens wordt warmte direct van het metalen plaat gedissipeerd of losse apparatuur aangesloten op het metalen plaat. De werkstructuur staat in Figuur 1.

Hoofdmaterialen: aluminium, koper, staal. Kan ook als ground-laag dienen. Boven- en onderlaag van metal core PCB kunnen via geplateerde doorboorgaten worden verbonden; warmte kan overgedragen worden op binnenlaag en oppervlak van metal core PCB. Verwarmende elementen kunnen direct op het bord worden gesoldeerd via bodem en warmteleidingsgat. Warmte van verwarmende elementen wordt direct naar metal core PCB overgedragen, die warmte via warmteleidingsgat naar de tangentiële behuizing overbrengt en afvoert. Deze structuur heeft brede toepassingen maar kan problemen veroorzaken. Metal core PCBs zijn zo dik dat vervorming ontstaat bij oneffen dissipatie, leidend tot losse contact tussen chips en pennen. Ze dissiperen warmte snel, wat chipvervanging bemoeilijkt; lokale warmte-aantrekking leidt tot ernstige vervorming. Grotere PCB-oppervlakte = makkelijkere vervorming.

Om bovenstaande problemen op te lossen, moet het ontwerp van metal core PCBs worden geüpgraded:

• a. 4-laags koperfolie van 0,15 mm dikte kan in PCBs worden ingeklemd, zodat PCB-dikte met 3 mm toeneemt om vervorming te voorkomen en doorboorgat-betrouwbaarheid te verhogen.
• b. Voor chips met 2 W warmteproductie kan SMT-pad aan de chiponderkant worden toegevoegd om warmte naar de metalen laag van de PCB over te dragen.
• c. Chiponderkant kan warmte naar interne koperfolielaag overbrengen via grootoppervlakkige koperfolie en warmteleidingsgat.
• d. Isolerende laag aan beide kanten van PCB kan worden afgefreesd om PCB-rand metallisatie te realiseren. Warmtedissipatie via contact tussen kaale PCB-rand en basis. Installatie met 36 schroeven om warmtegeleiding PCB-behuizing te verhogen.

Na implementatie van bovenstaande maatregelen is het geüpgradede PCB-ontwerp in Figuur 2.

Voor simulatiemodellering en analyse van servo-PCB wordt FLoTHERM-software gebruikt. Randvoorwaarde: omgeving 65 °C, werktijd 90 minuten. Componenten voldoen aan X-derating vereiste. Toegestane lichaamstemperatuur per component in tabel:

Hoofdvermogenscomponenten: 2 chips (49,76 × 41,4 mm) elk 2 W. Overige componenten: 5 W totaal. Hele PCB: 9 W, servo-aandrijving: 10 W, voeding: 40 W, totaal servo + voeding: 59 W.

Temperatuur van servo-besturingschip in Figuur 3.

Warmteanalyse van 90 minuten werken in 65 °C omgeving toont: in eerste 30 minuten stijgt chiptemperatuur snel naar >72 °C; in 50 minuten stabiliseert temperatuur geleidelijk; na 90 minuten: lichaamstemperatuur 2 W chip (87 °C) = 77,9 °C; 0,6 W chip (87 °C) = 84 °C; 0,5 W chip (87 °C) = 78,2 °C; 0,5 W chip (85 °C) = 77 °C.

Op basis van berekening en simulatie blijft servo-besturingschip-temperatuur in redelijke reeks. In theoretische analyse is standaard geen ruimte tussen chips en PCB; in praktijk kan er ruimte zijn die met silicagel gevuld kan worden om dissipatie-effect te garanderen.

Laat PCBCart Uw High-Power PCBs Fabriceeren

PCBCart produceert sinds 2005 printplaten. In onze meer dan tienjarige ervaring hebben we printplaten gefabriceerd voor talloze projecten in hoge temperatuur. Heeft u een manier nodig om uw printplaten te fabriceren? Neem contact met ons op via deze pagina en zie hoe we kunnen helpen. PCB-offerte is altijd gratis en welkom.

Nuttige bronnen:
• Optimaal gebruik van Chinese elektronica-fabricagebronnen voor optimale balans tussen kosten en prestaties
• Hoe een PCB-fabrikant of PCB-monteur te evalueren
• Full Feature PCB Fabricageservice van PCBCart
• Advanced PCB Assembly Service van PCBCart