PCB termal tahlili va termal dizayn texnikasi

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) telefon aksessuarlarini ishlab chiqarish va sotishga ixtisoslashgan yuqori texnologiyali korxona. Bizning asosiy mahsulotlarimiz sayohat zaryadlovchilari, avtomobil zaryadlovchilari, USB kabellari, quvvat banklari va boshqa raqamli mahsulotlarni o'z ichiga oladi. Barcha mahsulotlar xavfsiz va ishonchli, noyob uslublar bilan. Mahsulotlar Idoralar, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick va boshqalar kabi sertifikatlardan o'tadi. , Agar sizni qiziqtirsa, ceo@schitec.com bilan bevosita bogʻlanishingiz mumkin.

SChitec bilan xavfsiz zaryadlashda davom eting

PCB termal tahlili va termal dizayn texnikasi

1. PCB issiqlik manbai

Foydali ishlarga qo'shimcha ravishda, ish paytida quvvat adapteri tomonidan iste'mol qilinadigan quvvatning bir qismi issiqlikka aylanadi. Quvvat adapteri tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik ichki haroratning tez ko'tarilishiga olib keladi. Agar issiqlik o'z vaqtida tarqalmasa, harorat ko'tarilishda davom etadi va komponentlar haddan tashqari issiqlik tufayli ishlamay qoladi va quvvat adapterining ishonchliligi pasayadi. SMT quvvat adapteri komponentlarini o'rnatish zichligini oshiradi, samarali issiqlik tarqalish maydonini kamaytiradi va quvvat adapterining harorati ko'tarilishi ishonchlilikka jiddiy ta'sir qiladi. Shuning uchun, PCB quvvat adapterining termal dizayni bo'yicha tadqiqotlar juda muhimdir. Quvvat adapteri PCB haroratining ko'tarilishining bevosita sababi elektron quvvat komponentlarining mavjudligi bilan bog'liq bo'lib, elektron komponentlar quvvat iste'molining turli darajalariga ega va issiqlik intensivligi quvvat sarfiga qarab o'zgaradi. PCBda harorat ko'tarilishining ikkita hodisasi quyidagilardir: 1 mahalliy harorat ko'tarilishi yoki katta maydon haroratining ko'tarilishi; 2 qisqa muddatli harorat ko'tarilishi yoki uzoq vaqt davomida harorat ko'tarilishi.

Quvvat adapteri PCBda issiqlikning uchta asosiy manbai mavjud: elektron komponentlarning issiqligi, tenglikni o'zining issiqligi va boshqa qismlardan issiqlik. Uchta issiqlik manbalari orasida komponent asosiy issiqlik manbai bo'lgan eng katta issiqlik miqdorini, keyin esa tenglikni ishlab chiqaradigan issiqlikni hosil qiladi. Tashqi issiqlik kiritish quvvat adapterining umumiy termal dizayniga bog'liq.

Komponentlarning issiqlik hosil bo'lishi ularning quvvat sarfi bilan belgilanadi. Shuning uchun issiqlik ishlab chiqarishni minimallashtirish uchun dizaynda birinchi navbatda kam quvvat iste'moli bo'lgan komponentlar tanlanishi kerak. Ikkinchisi - komponentning ish nuqtasini o'rnatish. Odatda, u nominal ish oralig'ida tanlanishi kerak. Ushbu diapazonda ishlaganda ishlash yaxshi, quvvat sarfi kichik va xizmat muddati uzoq. Quvvat moslamasining o'zi katta miqdorda issiqlik hosil qiladi va to'liq yuk bilan ishlamaslik uchun mo'ljallangan bo'lishi kerak. Yuqori quvvatli qurilmalar uchun dizaynni yo'qotish printsipi amalga oshirilishi kerak va dizayn boyligini mos ravishda oshirish kerak, bu esa quvvat adapterining barqarorligini, ishonchliligini va issiqlik ishlab chiqarishni oshirish uchun foydalidir.

PCB mis o'tkazgich va izolyatsion dielektrik materialdan iborat bo'lib, odatda izolyatsion dielektrik material issiqlik hosil qilmaydi deb hisoblanadi. Mis o'tkazgich misning o'zi tufayli qarshilikka ega. Oqim o'tib ketganda, u issiqlik hosil qiladi. Kichik oqim mA (milliamper) va mA (mikroamper) o'tganda, isitish muammosi ahamiyatsiz bo'ladi, lekin oqim yuqori bo'lsa (100 mA yoki undan ko'p) Siz o'tganingizda, uni e'tiborsiz qoldirolmaysiz. Shunisi e'tiborga loyiqki, mis o'tkazgichning harorati 85 daraja S ga ko'tarilganda, izolyatsiyalovchi materialning o'zi sarg'ayishni boshlaydi, oqim o'tishda davom etadi va nihoyat mis o'tkazgich puflanadi. Xususan, ko'p qatlamli PCBning ichki qatlamidagi mis o'tkazgich yomon issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan qatron bilan o'ralgan va issiqlik tarqalishi qiyin, shuning uchun harorat muqarrar ravishda ko'tariladi, shuning uchun misning chiziq kengligi dizayniga alohida e'tibor berilishi kerak. dirijyor. Aslida, PCB tartibini loyihalashda, iz kengligi asosan issiqlik ishlab chiqarish va issiqlik tarqalish muhiti bilan belgilanadi. Mis o'tkazgichning tasavvurlar maydoni simning qarshiligini aniqlaydi (raqamli kontaktlarning zanglashiga olib keladigan chiziq qarshiligidan kelib chiqadigan signal yo'qolishi ahamiyatsiz) va mis o'tkazgich va izolyatsion substratning issiqlik o'tkazuvchanligi harorat ko'tarilishiga ta'sir qiladi, bu esa o'z navbatida joriy yuk tashish qobiliyatini aniqlaydi. Masalan, mis o'tkazgichning tasavvurlar maydoni doimiydir. Ruxsat etilgan oqim qiymati 2A bo'lsa va harorat ko'tarilishi qiymati 10 darajadan past bo'lsa, chiziq kengligi 35 mikron mis folga uchun 2 mm va 70 mikron mis folga uchun 1 mm bo'lishi kerak. . Xulosa qilish mumkinki, mis o'tkazgichning tasavvurlar maydoni, ruxsat etilgan oqimi va harorat ko'tarilish qiymati doimiy bo'lsa, issiqlik tarqalish talabi mis folga qalinligini oshirish yoki chiziq kengligini oshirishning ikki jihatidan qondirilishi mumkin. mis o'tkazgich.

2. Sxemaning termik tahlili

O'chirish termal tahlili uch bosqichga bo'linadi: birinchi navbatda komponentda hosil bo'ladigan issiqlikni baholash, so'ngra PCB yoki issiqlik qabul qilgich tomonidan chiqariladigan issiqlikni baholash va nihoyat komponent ishlaydigan muhit haroratini baholash. PCB yoki issiqlik batareyasi konvektsiya, o'tkazuvchanlik yoki radiatsiya orqali komponentning issiqligini tarqatadi. Supero'tkazuvchilar issiqlik tarqalishi, asosan, quvvat qurilmasi chipining metall qo'rg'oshin ramkasi va tenglikni ustidagi mis folga issiqlik o'tkazuvchanligi orqali amalga oshiriladi. PCB mis folga yoki diskret issiqlik moslamasi issiqlikni o'tkazgandan so'ng, u issiqlikni havoga tarqatish uchun konvektiv issiqlik tarqalishi uchun etarlicha katta sirt maydonini ta'minlaydi.

Konveksiya issiqlik tarqalishida ham ba'zi qiyinchiliklar mavjud. Yuqori haroratlarda termal qarshilik kuchayadi. Shu sababli, termal qarshilik termal tahlil parametri sifatida ishlatiladi. Agar ulanish joyidan tashqariga Rja termal qarshilik komponent ma'lumotlarida berilgan bo'lsa, qiymat komponent issiqlik qabul qilgichga ulanmagan yoki tenglikni lehimlanmaganida harorat ko'tarilishini ko'rsatadi. Termal dizayndagi asosiy termal qarshilik chipdan PCBgacha bo'lgan termal qarshilik Rjb va chipdan paket yuzasiga termal qarshilik Rjc hisoblanadi. Rja ikkita JEDEC standart PCB bilan o'lchanishi mumkin, biri bir tomonlama PCB uchun, ikkinchisi esa ko'p qatlamli PCB uchun. Agar sizda Rjb va Rjc spetsifikatsiyalari mavjud bo'lsa, komponentning haqiqiy harorat ko'tarilishini taxmin qilishingiz mumkin. Rja ni o'lchashda PCBda boshqa chiplar yo'q. Komponentlar atrofida quvvat manbalari va boshqa issiqlik tarqatuvchi chiplar mavjud bo'lganda va PCB cheklangan bo'shliqqa ega fansiz plastik qutida bo'lsa, haqiqiy harorat ko'tarilishi Rja o'lchovidan yuqori bo'ladi. Qiymat shundaki, aksariyat komponentlarning plastik paketining yuqori yuzasi deyarli issiqlik o'tkazmaydi. Epoksi qatronining issiqlik o'tkazuvchanligi 0.6 ~ 1W / (m · K) (metr Kelvin uchun vatt), misning issiqlik o'tkazuvchanligi esa 400W / (m · K). Shuning uchun misning issiqlik o'tkazuvchanligi plastmassadan 400 dan 600 baravar yuqori.

Termal tahlilning yakuniy bosqichi atrof-muhit haroratini baholashdir, bu muhim ahamiyatga ega. Misol uchun, laboratoriya havosining harorati 25 daraja, skameykadagi chip esa 50 daraja C da ishlaydi. Bu chiplar atrof-muhit harorati 50 daraja S ga joylashtirilganda, chipning harorati 75 daraja C ga etadi. , atrof-muhit harorati qadamini baholashda, ba'zida komponentning ishlashi mumkin bo'lgan atrof-muhit sharoitlarini aniqlash mumkin emas.

PCB termal quvvat sarfini tahlil qilishda u odatda quyidagi jihatlardan tahlil qilinadi.

(1) Elektr energiyasi iste'moli, ya'ni tenglikni birlik maydoni uchun quvvat sarfi va tenglikni quvvat sarfi.

(2) PCB ning tuzilishi, ya'ni tenglikni o'lchami va materiali.

(3) PCB o'rnatish usuli (vertikal o'rnatish, gorizontal o'rnatish kabi), muhrlanish holati va korpusdan masofa.

(4) Termal nurlanish, ya'ni tenglikni sirtining emissivligi, tenglikni va qo'shni sirt o'rtasidagi harorat farqi va ularning mutlaq harorati.

(5) Issiqlik o'tkazuvchanligi, ya'ni radiator va boshqa o'rnatish tarkibiy qismlarining o'tkazuvchanligi.

(6) Issiqlik konvektsiyasi, ya'ni tabiiy konvektsiya va majburiy sovutish konvektsiyasi.

Yuqoridagi omillarni tahlil qilish PCB haroratining ko'tarilishini hal qilishning samarali usuli hisoblanadi. Ko'pincha mahsulot va tizimda bu omillar o'zaro bog'liq va bog'liqdir. Ko'pgina omillarni haqiqiy vaziyatga qarab tahlil qilish kerak. Faqat ma'lum bir haqiqiy vaziyat uchun harorat ko'tarilishi va quvvat sarfi kabi parametrlarni to'g'ri hisoblash yoki hisoblash mumkin.

3. PCB termal dizayni uchun asosiy talablar

PCBni loyihalashda, ayniqsa sirtga o'rnatiladigan PCB dizayni uchun birinchi navbatda materialning termal kengayish koeffitsientiga mos keladigan muammoni hisobga olish kerak. Komponentlar uchun uchta turdagi qadoqlash substratlari mavjud: qattiq organik paketli substrat, moslashuvchan organik paketli substrat va keramik paketli substrat. Substrat to'rtta usul bilan qadoqlanadi: qoliplash texnologiyasi, qoliplangan keramika texnologiyasi, qatlamli keramika texnologiyasi va laminatlangan plastmassa. Substrat uchun ishlatiladigan materiallar asosan yuqori haroratli epoksi qatroni, BT qatroni, poliimid, keramika va refrakter shisha hisoblanadi. Ushbu materiallar X va Y yo'nalishlarida yuqori haroratga chidamliligi va past termal kengayish koeffitsientlariga ega. PCB materialini tanlashda siz komponentning paket shaklini va substratning materialini tushunishingiz va komponentni lehimlash jarayonining harorat o'zgarishi oralig'ini hisobga olishingiz kerak. Materialning termal kengayish koeffitsienti farqidan kelib chiqqan termal stressga mos keladigan termal kengayish koeffitsienti bilan substratni tanlang. .

Ko'pgina komponentlar seramika paketli substratdan foydalanadi, uning termal kengayish koeffitsienti odatda (5 ~ 7) × 10-6 / daraja C, qo'rg'oshinsiz keramik chip tashuvchisi LCCC ning termal kengayish koeffitsienti (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / daraja. Ba'zi komponentli substratlar PI, BT va issiqlikka chidamli epoksi kabi ba'zi PCB substratlari bilan bir xil materiallardan foydalanadi. PCB substratini tanlashda, substratning termal kengayish koeffitsienti komponent substratining materialining termal kengayish koeffitsientiga iloji boricha yaqinroq bo'lishi kerak.

PCB ning o'tkazgichi o'tadigan oqim tufayli harorat ko'tarilishi va atrof-muhit harorati 125 darajadan oshmasligi kerak (tanlangan substratga qarab odatiy qiymatlar keng tarqalgan). Komponentlar tenglikni o'rnatganligi va tenglikni ish haroratiga ta'sir qiluvchi issiqlikning bir qismini chiqaradiganligi sababli, tenglikni materialini va tenglikni dizaynini tanlashda ushbu omillarni hisobga olish kerak. Issiq nuqta harorati 125 darajadan oshmasligi kerak. PCB substrati iloji boricha qalinroq mis folga bilan tanlanishi kerak. Maxsus holatlarda alyuminiy taglik yoki seramika taglik kabi kichik termal qarshilikka ega bo'lgan substrat tanlanishi mumkin va ko'p qatlamli struktura ham PCB ning termal dizayniga hissa qo'shadi.

Hozirgi vaqtda keng qo'llaniladigan PCB substratlari mis bilan qoplangan epoksi shisha mato substratlari yoki fenolik qatronli shisha mato substratlari va oz miqdorda qog'ozga asoslangan mis qoplamali substratlardir. Ushbu substratlar mukammal elektr xususiyatlariga va qayta ishlash xususiyatlariga ega bo'lsa-da, ular zaif issiqlik tarqalishiga ega. Yuqori issiqlik hosil qiluvchi komponentlar uchun issiqlik tarqatuvchi vosita sifatida, u PCB qatronidan issiqlikni o'tkazishi qiyin, lekin issiqlikni komponentlar yuzasidan atrofdagi havoga tarqatishi kutilmaydi. Biroq, elektron mahsulotlar miniaturizatsiya, yuqori zichlikdagi montaj va yuqori issiqlik yig'ish davriga kirsa, juda kichik komponentli sirt maydoni bilan issiqlikni yo'qotish etarli emas. Shu bilan birga, QFP va BGA kabi sirt o'rnatish komponentlarining ko'pligi tufayli komponentlar tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik katta miqdorda tenglikni o'tkazadi. Shuning uchun issiqlik tarqalishini hal qilishning eng yaxshi usuli issiqlik ishlab chiqaruvchi komponentlar bilan to'g'ridan-to'g'ri aloqada bo'lgan PCB ning issiqlik tarqalish qobiliyatini yaxshilashdir. PCB chiqariladi yoki chiqariladi.

4. PCB termal dizayni

PCB termal dizaynida uchta o'lchov mavjud: quvvatni kamaytirish, issiqlik tarqalishi va tartib. Issiqlikning kamayishi issiqlik hosil qilish uchun emas; issiqlik tarqalishi issiqlikni o'tkazish yoki tarqatishdir, bu esa komponentlarga ta'sir qilmaydi; tartib shundan iboratki, agar issiqlik tarqalmasa, issiqlikka sezgir komponentlar tartib bilan ajratilishi mumkin. Iste'molni kamaytirish eng asosiy yechimdir. Deratatsiya va kam quvvatli dizaynning ikkita asosiy yondashuvi mavjud, ammo ularni maxsus dizaynlar bilan birgalikda tahlil qilish kerak. Komponentlarni tanlashda kichik issiqlik hosil qiluvchi komponentlardan foydalanishga harakat qiling, masalan, chip rezistorlari, simli o'ralgan rezistorlar (kamroq uglerod plyonkali rezistorlar), monolitik kondansatörler, tantal kondansatkichlari (kamroq qog'oz kondansatkichlari), MOS, CMOS sxemalari (kamroq ishlatiladigan) trubka), sirtga o'rnatish moslamalari va boshqalar. Kam quvvatli komponentlarni tanlashdan tashqari, haroratni qoplash va ba'zi haroratga sezgir maxsus komponentlarni nazorat qilish ham echimlardan biridir.

Deting iste'molni kamaytirish yo'lini ko'rib chiqish kerak. Aytaylik, yupqa sim nominal ravishda 10A oqim o'tkazishga qodir. Oqim uning ustida ko'proq issiqlik hosil qiladi va sim chegarani oshirish uchun qalinlashadi. Nominal 20A orqali o'tkaziladi. Oqim 10A dan o'tganda, ichki qarshilik tufayli issiqlik yo'qotilishi kamayadi va issiqlik kichik bo'ladi. Bundan tashqari, deting dizayni tufayli, atrof-muhit harorati ko'tarilganda, komponentning ishlashi pasaygan taqdirda, marj tufayli, hatto ishlash yomonlashgan bo'lsa ham, talabni qondirish mumkin. Berilgan sharoitlarda, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan tarkibiy qismlarining harorati ishonchliligi kafolatlangan haroratdan yuqoriga ko'tarilganda, haroratni ishonchlilik ish diapazoniga tushirish uchun tegishli issiqlik tarqalish choralarini ko'rish kerak, bu termal dizaynning yakuniy maqsadi hisoblanadi.

Issiqlik tarqalishi PCB termal dizaynining asosiy mazmunidir. PCBlar uchun issiqlik tarqalishining uchta asosiy turi mavjud: issiqlik o'tkazuvchanligi, konveksiya va radiatsiya. Issiqlik o'tkazuvchanligi va konvektsiya issiqlik tarqalishining asosiy vositasidir. Issiqlikni tarqatishning keng tarqalgan usuli - issiqlik manbasidan issiqlikni o'tkazish va uni havo konvektsiyasi bilan tarqatish uchun issiqlik qabul qilgichdan foydalanish. Radiatsiya - issiqlikni tarqatish uchun kosmosda elektromagnit to'lqinlardan foydalanish, bu issiqlik tarqalishining oz miqdoriga ega va odatda issiqlik tarqalishining yordamchi vositasi sifatida ishlatiladi.

PCB termal dizaynining maqsadi tizimning to'g'ri haroratda to'g'ri ishlashi uchun komponentlarning harorati va PCB haroratini pasaytirish uchun tegishli choralar va usullarni ko'rishdir. Issiqlik tarqalishini engillashtirish nuqtai nazaridan, tenglikni tik holatda o'rnatish yaxshiroqdir va tenglikni va tenglikni o'rtasidagi masofa odatda 2 sm dan kam emas.