Analiżi termali tal-PCB u tekniki ta 'disinn termali

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd(SChitec) hija intrapriża ta 'teknoloġija għolja li speċjalizzata fil-produzzjoni u l-bejgħ ta' aċċessorji tat-telefon. Il-prodotti ewlenin tagħna jinkludu chargers tal-ivvjaġġar, ċarġers tal-karozzi, kejbils USB, banek tal-enerġija u prodotti diġitali oħra. Il-prodotti kollha huma sikuri u affidabbli, bi stils uniċi. prodotti jgħaddu ċertifikati bħal CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick, eċċ , Jekk inti interessat, tista' tikkuntattja lil ceo@schitec.com direttament.

Ibqa' Iċċarġja Sikur b'SChitec

Analiżi termali tal-PCB u tekniki ta 'disinn termali

1. Sors tas-sħana tal-PCB

Minbarra x-xogħol utli, parti mill-enerġija kkonsmata mill-adapter tal-enerġija waqt it-tħaddim tinbidel fis-sħana. Is-sħana ġġenerata mill-adapter tal-enerġija tikkawża li t-temperatura interna togħla malajr. Jekk is-sħana ma tinħelax fil-ħin, it-temperatura tkompli tiżdied, u l-komponenti se jonqsu minħabba sħana żejda, u l-affidabbiltà tal-adapter tal-enerġija tonqos. SMT iżid id-densità tal-immuntar tal-komponenti tal-adapter tal-enerġija, inaqqas iż-żona effettiva tad-dissipazzjoni tas-sħana, u ż-żieda fit-temperatura tal-adapter tal-enerġija taffettwa serjament l-affidabbiltà. Għalhekk, ir-riċerka dwar id-disinn termali tal-PCB tal-adapter tal-enerġija hija importanti ħafna. Il-kawża diretta taż-żieda fit-temperatura tal-PCB tal-adapter tal-enerġija hija dovuta għall-eżistenza ta 'komponenti tal-enerġija taċ-ċirkwit, il-komponenti elettroniċi għandhom gradi differenti ta' konsum tal-enerġija, u l-intensità tas-sħana tvarja skont il-konsum tal-enerġija. Iż-żewġ fenomeni ta 'żieda fit-temperatura fil-PCB huma: 1 żieda fit-temperatura lokali jew żieda fit-temperatura ta' żona kbira; 2 żieda fit-temperatura għal żmien qasir jew żieda fit-temperatura għal żmien twil.

Hemm tliet sorsi ewlenin ta 'sħana fil-PCB tal-adapter tal-enerġija: is-sħana tal-komponenti elettroniċi, is-sħana tal-PCB innifsu, u s-sħana minn partijiet oħra. Fost it-tliet sorsi tas-sħana, il-komponent jiġġenera l-akbar ammont ta 'sħana, li huwa s-sors tas-sħana prinċipali, segwit mis-sħana ġġenerata mill-PCB. L-input tas-sħana esterna jiddependi fuq id-disinn termali ġenerali tal-adapter tal-enerġija.

Il-ġenerazzjoni tas-sħana tal-komponenti hija determinata mill-konsum tal-enerġija tagħhom. Għalhekk, komponenti b'konsum baxx ta 'enerġija għandhom jintgħażlu l-ewwel fid-disinn biex jimminimizzaw il-ġenerazzjoni tas-sħana. It-tieni huwa l-issettjar tal-punt tax-xogħol tal-komponent. Ġeneralment, għandu jintgħażel fil-medda tax-xogħol nominali tiegħu. Meta taħdem f'din il-medda, il-prestazzjoni hija tajba, il-konsum tal-enerġija huwa żgħir, u l-ħajja tas-servizz hija twila. L-apparat tal-enerġija innifsu jiġġenera ammont kbir ta 'sħana, u għandu jkun iddisinjat biex jevita tħaddim ta' tagħbija sħiħa. Għal apparati ta 'qawwa għolja, il-prinċipju tad-disinn ta' derating għandu jiġi implimentat, u r-rikkezza tad-disinn għandha tiżdied b'mod xieraq, li huwa ta 'benefiċċju biex tiżdied l-istabbiltà, l-affidabbiltà u l-ġenerazzjoni tas-sħana tal-adapter tal-enerġija.

Il-PCB huwa magħmul minn konduttur tar-ram u materjal dielettriku iżolanti, u ġeneralment jitqies li l-materjal dielettriku iżolanti ma jiġġenerax sħana. Il-konduttur tar-ram għandu reżistenza minħabba r-ram innifsu. Meta jgħaddi l-kurrent, se jiġġenera s-sħana. Meta tgħaddi kurrent żgħir ta 'mA (milliampere) u μA (mikroampere), il-problema tat-tisħin hija negliġibbli, iżda meta l-kurrent ikun għoli (100 mA jew aktar) Meta tgħaddi, ma tistax tinjoraha. Ta 'min jinnota li meta t-temperatura tal-konduttur tar-ram titla' għal 85 grad C, il-materjal iżolanti nnifsu jibda isfar, il-kurrent ikompli jgħaddi, u finalment il-konduttur tar-ram jintefaħ. B'mod partikolari, il-konduttur tar-ram fis-saff ta 'ġewwa tal-PCB b'ħafna saffi huwa mdawwar b'reżina li għandha konduttività tas-sħana fqira, u d-dissipazzjoni tas-sħana hija diffiċli, għalhekk it-temperatura inevitabbilment togħla, għalhekk għandha tingħata attenzjoni speċjali lid-disinn tal-wisa' tal-linja tar-ram konduttur. Fil-fatt, meta tiddisinja t-tqassim tal-PCB, il-wisa 'traċċa hija ddeterminata prinċipalment mill-ġenerazzjoni tas-sħana u l-ambjent tad-dissipazzjoni tas-sħana. Iż-żona trasversali tal-konduttur tar-ram tiddetermina r-reżistenza tal-wajer (it-telf tas-sinjal ikkawżat mir-reżistenza tal-linja fiċ-ċirkwit diġitali huwa negliġibbli), u l-konduttività termali tal-konduttur tar-ram u s-sottostrat iżolanti taffettwa ż-żieda fit-temperatura, li mbagħad jiddetermina l-kapaċità tal-ġarr kurrenti. Per eżempju, l-erja tas-sezzjoni trasversali tal-konduttur tar-ram hija kostanti. Meta l-valur tal-kurrent permissibbli huwa 2A u l-valur taż-żieda fit-temperatura huwa inqas minn 10 gradi C, il-wisa 'tal-linja għandha tkun iddisinjata biex tkun 2 mm għall-fojl tar-ram ta' 35 μm u 1 mm għall-fojl tar-ram ta '70 μm. . Jista 'jiġi konkluż li meta l-erja trasversali, il-kurrent permissibbli u l-valur taż-żieda fit-temperatura tal-konduttur tar-ram huma kostanti, ir-rekwiżit tad-dissipazzjoni tas-sħana jista' jiġi sodisfatt minn żewġ aspetti li tiżdied il-ħxuna tal-fojl tar-ram jew tiżdied il-wisa 'tal-linja tal- konduttur tar-ram.

2. Analiżi termali taċ-ċirkwit

L-analiżi termali taċ-ċirkwit hija maqsuma fi tliet passi: l-ewwel tistma s-sħana ġġenerata fil-komponent, imbagħad tistma s-sħana emessa mill-PCB jew sink tas-sħana, u finalment tistma t-temperatura ambjentali li fiha se jopera l-komponent. Il-PCB jew is-sink tas-sħana se jxerrdu s-sħana tal-komponent permezz ta 'konvezzjoni, konduzzjoni jew radjazzjoni. Id-dissipazzjoni tas-sħana konduttiva hija prinċipalment permezz tal-konduzzjoni tas-sħana tal-qafas taċ-ċomb tal-metall taċ-ċippa tal-apparat tal-enerġija u l-fojl tar-ram fuq il-PCB. Ladarba l-fojl tar-ram tal-PCB jew is-sink tas-sħana diskreti jmexxu s-sħana, jipprovdi żona tal-wiċċ kbira biżżejjed għad-dissipazzjoni tas-sħana konvettiva biex tinħela s-sħana fl-arja.

Hemm ukoll xi diffikultajiet fid-dissipazzjoni tas-sħana tal-konvezzjoni. F'temperaturi għoljin, ir-reżistenza termali tiżdied. Għal din ir-raġuni, ir-reżistenza termali tintuża bħala parametru ta 'analiżi termali. Jekk ir-reżistenza termali Rja mill-junction għal barra tingħata fid-dejta tal-komponent, il-valur jindika ż-żieda fit-temperatura meta l-komponent ma jkunx imqabbad mas-sink tas-sħana jew ma jkunx issaldjat mal-PCB. Ir-reżistenza termali ewlenija fid-disinn termali hija r-reżistenza termali Rjb miċ-ċippa għall-PCB u r-reżistenza termali Rjc miċ-ċippa sal-wiċċ tal-pakkett. Rja jista 'jitkejjel b'żewġ PCB standard JEDEC, wieħed għal PCB b'naħa waħda u l-ieħor għal PCB b'ħafna saffi. Jekk għandek speċifikazzjonijiet Rjb u Rjc, tista 'tagħmel stima taż-żieda vera fit-temperatura tal-komponent. Meta tkejjel Rja, m'hemm l-ebda ċipep oħra fuq il-PCB. Meta jkun hemm provvisti ta 'enerġija u ċipep oħra li jxerrdu s-sħana madwar il-komponenti, u meta l-PCB ikun f'każ tal-plastik mingħajr fann bi spazju limitat, iż-żieda attwali fit-temperatura tkun ogħla mill-kejl Rja. Il-valur huwa minħabba li l-wiċċ ta 'fuq tal-pakkett tal-plastik tal-biċċa l-kbira tal-komponenti ma jittrasmetti kważi l-ebda sħana. Il-konduttività termali tar-reżina epoxy hija 0.6 ~ 1W / (m · K) (watts kull metru Kelvin), filwaqt li l-konduttività termali tar-ram hija 400W / (m · K). Għalhekk, il-konduttività termali tar-ram hija 400 sa 600 darba ogħla minn dik tal-plastik.

Il-pass finali fl-analiżi termali huwa li tiġi stmata t-temperatura ambjentali, li hija importanti. Pereżempju, it-temperatura tal-arja tal-laboratorju hija ta '25 grad C u ċ-ċippa fuq il-bank qed taħdem f'50 grad C. Meta dawn iċ-ċipep jitqiegħdu f'temperatura ambjentali ta' 50 grad C, it-temperatura taċ-ċippa tilħaq 75 grad C. Madankollu , fl-istima tal-pass tat-temperatura ambjentali, xi drabi huwa impossibbli li jiġu ddeterminati l-kundizzjonijiet ambjentali li fihom il-komponent jista 'jaħdem.

Meta jiġi analizzat il-konsum tal-enerġija termali tal-PCB, ġeneralment jiġi analizzat mill-aspetti li ġejjin.

(1) Konsum tal-enerġija elettrika, jiġifieri, il-konsum tal-enerġija għal kull unità ta 'żona tal-PCB u l-konsum tal-enerġija fuq il-PCB.

(2) L-istruttura tal-PCB, jiġifieri d-daqs u l-materjal tal-PCB.

(3) Metodu ta 'immuntar tal-PCB (bħal installazzjoni vertikali, installazzjoni orizzontali), kundizzjoni tas-siġillar u distanza mill-akkomodazzjoni.

(4) Ir-radjazzjoni termali, jiġifieri l-emissività tal-wiċċ tal-PCB, id-differenza fit-temperatura bejn il-PCB u l-wiċċ li jmissu magħhom u t-temperatura assoluta tagħhom.

(5) Konduzzjoni tas-sħana, jiġifieri, il-konduzzjoni tar-radjatur u komponenti strutturali ta 'immuntar oħra.

(6) Konvezzjoni termali, jiġifieri, konvezzjoni naturali u konvezzjoni tat-tkessiħ sfurzat.

L-analiżi tal-fatturi ta 'hawn fuq hija mod effettiv biex issolvi ż-żieda fit-temperatura tal-PCB. Ħafna drabi fi prodott u sistema, dawn il-fatturi huma interrelatati u dipendenti. Ħafna mill-fatturi għandhom jiġu analizzati skond is-sitwazzjoni attwali. Għal sitwazzjoni attwali speċifika biss jistgħu l-parametri bħaż-żieda fit-temperatura u l-konsum tal-enerġija jiġu kkalkulati jew stmati b'mod korrett.

3. Rekwiżiti bażiċi għad-disinn termali tal-PCB

Meta tfassal PCB, speċjalment għad-disinn tal-PCB tal-immuntar tal-wiċċ, l-ewwel għandha titqies il-problema tat-tqabbil tal-koeffiċjent tal-espansjoni termali tal-materjal. Hemm tliet tipi ta 'sottostrati tal-pakketti għall-komponenti: sottostrat tal-pakkett organiku riġidu, sottostrat tal-pakkett organiku flessibbli u sottostrat tal-pakkett taċ-ċeramika. Is-sottostrat huwa ppakkjat b'erba 'metodi: teknoloġija tal-iffurmar, teknoloġija taċ-ċeramika ffurmata, teknoloġija taċ-ċeramika laminata u plastik laminat. Il-materjali użati għas-sottostrat huma prinċipalment reżina epoxy ta 'temperatura għolja, reżina BT, polyimide, ċeramika, u ħġieġ refrattorju. Dawn il-materjali għandhom reżistenza għat-temperatura għolja u koeffiċjenti ta 'espansjoni termali baxxi fid-direzzjonijiet X u Y. Meta tagħżel il-materjal tal-PCB, għandek tifhem il-forma tal-pakkett tal-komponent u l-materjal tas-sottostrat, u tikkunsidra l-firxa tal-varjazzjoni tat-temperatura tal-proċess tal-issaldjar tal-komponenti. Agħżel is-sottostrat bil-koeffiċjent ta 'espansjoni termali biex jaqbel mal-istress termali kkawżat mid-differenza fil-koeffiċjent ta' espansjoni termali tal-materjal. .

Ħafna komponenti jużaw sottostrat ta 'pakkett taċ-ċeramika, il-koeffiċjent ta' espansjoni termali tiegħu huwa tipikament (5 ~ 7) × 10-6 / grad C, il-koeffiċjent ta 'espansjoni termali ta' trasportatur taċ-ċippa taċ-ċeramika mingħajr ċomb LCCC huwa (3.5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / grad . Xi sottostrati tal-komponenti jużaw l-istess materjali bħal xi sottostrati tal-PCB, bħal PI, BT u epoxy reżistenti għas-sħana. Meta tagħżel is-sottostrat tal-PCB, il-koeffiċjent ta 'espansjoni termali tas-sottostrat għandu jitqies kemm jista' jkun qrib il-koeffiċjent ta 'espansjoni termali tal-materjal tas-sottostrat tal-komponent.

Il-konduttur tal-PCB huwa żieda fit-temperatura minħabba l-kurrent li jgħaddi, u t-temperatura ambjentali m'għandhiex taqbeż il-125 grad C (valuri tipiċi huma komuni, skont is-sottostrat magħżul). Peress li l-komponenti huma mmuntati fuq il-PCB u jarmu wkoll porzjon tas-sħana li taffettwa t-temperatura operattiva tal-PCB, dawn il-fatturi għandhom jitqiesu meta jintgħażlu l-materjal tal-PCB u d-disinn tal-PCB. It-temperatura tal-post sħun m'għandhiex taqbeż il-125 grad. Is-sottostrat tal-PCB għandu jintgħażel b'fojl tar-ram eħxen kemm jista 'jkun. F'każijiet speċjali, jista 'jintgħażel sottostrat b'reżistenza termali żgħira bħal bażi tal-aluminju jew bażi taċ-ċeramika, u l-istruttura b'ħafna saffi tikkontribwixxi wkoll għad-disinn termali tal-PCB.

Sostrati tal-PCB li jintużaw ħafna bħalissa huma sottostrati tad-drapp tal-ħġieġ epossidiku miksi bir-ram jew sottostrati tad-drapp tal-ħġieġ tar-reżina fenolika, u ammont żgħir ta 'sottostrati miksijin bir-ram ibbażati fuq il-karta. Għalkemm dawn is-sottostrati għandhom proprjetajiet elettriċi eċċellenti u proprjetajiet ta 'proċessar, għandhom dissipazzjoni fqira tas-sħana. Bħala mezz li jxerred is-sħana għal komponenti li jiġġeneraw is-sħana għolja, bilkemm huwa mistenni li jmexxi s-sħana mir-reżina tal-PCB innifsu, iżda li jxerred is-sħana mill-wiċċ tal-komponenti għall-arja tal-madwar. Madankollu, hekk kif il-prodotti elettroniċi jidħlu fl-era ta 'minjaturizzazzjoni, immuntar ta' densità għolja u assemblaġġ ta 'sħana għolja, mhuwiex biżżejjed li tinħela s-sħana b'erja tal-wiċċ ta' komponent żgħir ħafna. Fl-istess ħin, minħabba n-numru kbir ta 'komponenti tal-immuntar tal-wiċċ bħal QFP u BGA, is-sħana ġġenerata mill-komponenti tiġi trasferita lill-PCB fi kwantitajiet kbar. Għalhekk, l-aħjar mod biex issolvi d-dissipazzjoni tas-sħana huwa li tittejjeb il-kapaċità tad-dissipazzjoni tas-sħana tal-PCB innifsu f'kuntatt dirett mal-komponenti li jiġġeneraw is-sħana. Il-PCB jitmexxa 'l barra jew joħroġ.

4. Disinn termali tal-PCB

Hemm tliet miżuri fid-disinn termali tal-PCB: tnaqqis tal-enerġija, dissipazzjoni tas-sħana u tqassim. It-tnaqqis tas-sħana mhuwiex li jiġġenera s-sħana; id-dissipazzjoni tas-sħana hija li tmexxi jew tinħela s-sħana, li ma taffettwax il-komponenti; it-tqassim huwa li jekk is-sħana ma tinħelax, il-komponenti sensittivi għas-sħana jistgħu jiġu iżolati bit-tqassim. It-tnaqqis tal-konsum huwa l-aktar soluzzjoni fundamentali. Hemm żewġ approċċi ewlenin għad-derating u d-disinn ta 'enerġija baxxa, iżda jeħtieġ li jiġu analizzati flimkien ma' disinji speċifiċi. Meta tagħżel komponenti, ipprova uża komponenti b'ġenerazzjoni żgħira ta 'sħana, bħal resistors taċ-ċippa, resistors tal-wajer (inqas resistors tal-film tal-karbonju), capacitors monolitiċi, capacitors tat-tantalu (inqas capacitors tal-karta), MOS, ċirkwiti CMOS (inqas użati) 锗 tubu), apparati tal-immuntar tal-wiċċ, eċċ Minbarra l-għażla ta 'komponenti ta' enerġija baxxa, il-kumpens tat-temperatura u l-kontroll ta 'xi komponenti speċjali sensittivi għat-temperatura hija wkoll waħda mis-soluzzjonijiet.

Id-derating jeħtieġ li jikkunsidra l-mod kif jitnaqqas il-konsum. Ejja ngħidu li wajer irqiq nominalment kapaċi jgħaddi 10A ta 'kurrent. Il-kurrent jiġġenera aktar sħana fuqu, u l-wajer jitħaxxen biex iżid il-marġni. Huwa nominalment mgħoddi minn 20A. Meta l-kurrent jgħaddi minn 10A, it-telf tas-sħana minħabba r-reżistenza interna jitnaqqas u s-sħana hija żgħira. Barra minn hekk, minħabba d-disinn ta 'derating, meta t-temperatura ambjentali togħla, fil-każ fejn il-prestazzjoni tal-komponent tkun degradata, minħabba l-marġni, anke jekk il-prestazzjoni tkun degradata, ir-rekwiżit jista' jiġi sodisfatt. Taħt il-kondizzjonijiet mogħtija, meta t-temperatura tal-komponenti fiċ-ċirkwit togħla 'l fuq mit-temperatura garantita ta' affidabbiltà, għandhom jittieħdu miżuri xierqa ta 'dissipazzjoni tas-sħana biex titbaxxa t-temperatura għall-medda tax-xogħol ta' affidabbiltà, li hija l-għan aħħari tad-disinn termali.

Id-dissipazzjoni tas-sħana hija l-kontenut ewlieni tad-disinn termali tal-PCB. Għall-PCBs, hemm tliet tipi bażiċi ta 'dissipazzjoni tas-sħana: konduzzjoni termali, konvezzjoni u radjazzjoni. Il-konduzzjoni termali u l-konvezzjoni huma l-mezzi ewlenin tad-dissipazzjoni tas-sħana. Il-mod komuni ta 'dissipazzjoni tas-sħana huwa li tuża sink tas-sħana biex tmexxi s-sħana mis-sors tas-sħana u tinħela permezz ta' konvezzjoni ta 'l-arja. Ir-radjazzjoni hija l-użu ta 'mewġ elettromanjetiku fl-ispazju biex tinħela s-sħana, li għandha ammont żgħir ta' dissipazzjoni tas-sħana, u ġeneralment tintuża bħala mezz awżiljarju ta 'dissipazzjoni tas-sħana.

L-għan tad-disinn termali tal-PCB huwa li tieħu miżuri u metodi xierqa biex tnaqqas it-temperatura tal-komponenti u t-temperatura tal-PCB, sabiex is-sistema taħdem sew fit-temperatura t-tajba. Mill-perspettiva li tiffaċilita d-dissipazzjoni tas-sħana, il-PCB huwa preferibbilment immuntat wieqfa, u d-distanza bejn il-PCB u l-PCB hija ġeneralment mhux inqas minn 2 ċm.