Opór cieplny PCB-Niektóre komponenty i rezystancja w obrębie ścieżek mogą generować ciepło na płytce drukowanej. Te wysokie temperatury mogą spowodować uszkodzenia, jeśli rezystancja termiczna PCB jest wysoka. Można użyć radiatorów lub wentylatorów, ale to nie wystarczy. Dodatkowo, sprawiają one, że płytka drukowana jest większa, a wentylatory zwiększają zużycie energii.
Najlepszym rozwiązaniem jest opracowanie planu zarządzania termicznego, który uwzględnia opór cieplny i przewodność. Strategia ta powinna utrzymywać najwyższą temperaturę płytki drukowanej w pobliżu temperatury otoczenia, aby zapewnić optymalne działanie komponentów. Poniżej przyjrzeliśmy się oporności cieplnej PCB i temu, jak można poprawić swoje projekty, aby zmaksymalizować rozpraszanie ciepła.
Co to jest rezystancja termiczna PCB i dlaczego jest ważna?
Rezystancja termiczna PCB jest odwrotnością przewodności cieplnej płytki drukowanej. Określa ona, jak szybko/wolno materiały PCB pozwalają ciepłu oddalać się od źródła. Innymi słowy, pokazuje szybkość przenoszenia ciepła z gorących do zimnych obszarów na płytce drukowanej.
Dwa połączenia z miedzianą płaszczyzną (przelotki termiczne i podkładki termiczne) mają wpływ na rezystancję termiczną.
Przelotki na płytce drukowanej
Przelotki termiczne odprowadzają ciepło z komponentów, natomiast podkładki termiczne rozprowadzają ciepło równomiernie na płytce podczas procesu lutowania.
Kilka padów termicznych na płytce PCB
Nadmierna akumulacja ciepła w określonych regionach może spowodować pęknięcie przelotek o wysokim współczynniku proporcji lub uszkodzenie aktywnych komponentów.
Uszkodzenie komponentów z powodu nadmiernej akumulacji ciepła
Opór cieplny PCB-Co decyduje o oporze cieplnym podłoża PCB?
Właściwości materiałowe podłoża i rozmieszczenie przewodników/elementów miedzianych w PCB określają opór cieplny. Te dwa czynniki powinny pomóc w opracowaniu strategii zarządzania termicznego podczas projektowania płyty.
Celem strategii jest zmniejszenie oporu cieplnego i powinna ona uwzględniać następujące elementy:
Najlepsze rozmieszczenie elementów elektronicznych.
Które komponenty wymagają wentylatorów lub radiatorów chłodzących
Najlepsze rozmieszczenie przelotek termicznych w pobliżu gorących komponentów
Radiator chłodzący
Metody pomiaru rezystancji termicznej płytek PCB
Istnieją trzy sposoby pomiaru rezystancji termicznej.
Opór cieplny PCB-Pomiar przewodności cieplnej
Najbardziej typową metodą pomiaru oporu cieplnego jest wykorzystanie przewodności cieplnej. Obliczanie przewodności cieplnej jest prostym procesem, a opór jest odwrotnością przewodności.
Obraz PCB w podczerwieni pokazujący gorące punkty
Opór cieplny PCB-Metoda zabezpieczonej płyty grzejnej
Ponieważ podłoża płytek drukowanych są dwuwymiarowe, łatwiej i szybciej jest zmierzyć opór cieplny kompletnej, ale niezmontowanej płytki za pomocą tej metody.
Proces polega na pomiarze temperatury dwóch stron płytki drukowanej w miarę przemieszczania się ciepła z gorących punktów do innych, chłodniejszych obszarów. Jest to bezpośredni sposób pomiaru przewodności cieplnej, który można wykorzystać do obliczenia przewodności cieplnej i rezystancji.
Opór cieplny PCB-Metoda 3-Omega
Ten proces termoelektryczny polega na ogrzewaniu zespołu płytek drukowanych przy użyciu grzałki AC o określonej częstotliwości. Proces ten tworzy okresowy efekt grzewczy przy podwojonej częstotliwości.
Grzałka prądu zmiennego
Pomiar temperatury wskaże sygnał zawierający składowe przy częstotliwości grzania i 3X częstotliwości, stąd nazwa 3-Omega.
Przewodność cieplna jest proporcjonalna do mocy komponentu częstotliwości i geometrii tablicy Jednak ta metoda działa tylko w przypadku małych PCB
Opór cieplny PCB-Owoc
Jak mogliście zauważyć, wszystkie trzy sposoby prowadzą bezpośrednio do przewodnictwa cieplnego Dlatego należy użyć kalkulatora oporu cieplnego PCB w celu określenia oporu cieplnego, ponieważ akceptuje wszystkie parametry niezbędne do obliczenia przewodności cieplnej, a następnie podaje przekładnię
Zaprojektowany z myślą o zmniejszeniu oporu cieplnego
Istnieją trzy sposoby zmniejszenia oporu cieplnego
Opór cieplny PCB-Używanie materiałów o wysokiej temperaturze cieplnej
Najskuteczniejszym sposobem zmniejszenia oporu cieplnego jest użycie materiału o wysokiej temperaturze cieplnej Dlatego płytki drukowane z elementami grzewczymi powinny być używane w płaskiej warstwie, aby zapewnić niską odporność i szybką ścieżkę przepływu ciepła Można również użyć wewnętrznej warstwy uziemienia lub warstwy zasilania dla płyt drukowanych o wysokiej częstotliwości lub szybkości Będą one używane na wiele sposobów, ponieważ ułatwiają również izolację i zapewniają blokadę dla zewnętrznej EMI
Specjalne zastosowanie do ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi
Opór cieplny PCB-Umieść podkładkę miedzianą pod częścią gorącą
Umieszczenie płyty spawanej miedzianej pod elementem gorącym pomaga usunąć ciepło z warstwy powierzchni Te płyty spawane zazwyczaj mają przejścia połączone z wewnętrzną warstwą uziemienia, która blokuje przejścia do komponentów
Płyta lutowa PCB i otwór pod mikroskopem
Niektóre komponenty posiadają płyty spawane termicznie połączone z chipem, które należy spawać bezpośrednio do płyty spawanej, aby uzyskać maksymalną przepustowość cieplną Należy jednak pamiętać, że umieszczenie zbyt dużych lub zbyt dużych otworów może spowodować przejście strumienia przez koronę podczas montażu płyty drukowanej
Opór cieplny PCB-Użyj cięższej miedzi
Cięższe lub grubsze przewody miedziane mogą prowadzić większe prądy przy minimalnej odporności Opór powoduje wzrost temperatury, więc grubsza miedź utrzymuje niską temperaturę, jeśli płyta drukowana musi działać przy dużej mocy
Ciepło rozpraszające pod ciśnieniem z materiałami substratu
Innym skutecznym sposobem zmniejszenia oporu cieplnego jest użycie substancji zastępczych Typowym materiałem podłoża jest FR4 Jego przewodność elektryczna jest znacznie niższa niż w przypadku metali i ceramiki, o wartości około 1,0 W/ (m-k) dla koron Ta wartość jest podobna do przewodnictwa innych laminatów kompatybilnych z wysoką częstotliwością, takich jak Isola i Rogers
Parę arkuszy drukowanych FR4
Jednak metalowe i ceramiczne płyty mają większą przewodność cieplną, co sprawia, że są bardziej atrakcyjne dla zarządzania ciepłem
Opór cieplny PCB-Na ceramikę
Przewodność cieplna materiału ceramicznego może wynosić od 20 do 300 W/ (m-k) Dlatego idealnie nadaje się do umieszczania pod lub w pobliżu wysokotemperaturowych elementów elektronicznych Ponadto eliminuje potrzebę korzystania z wentylatorów lub dużych radiatorów
Ceramika ma również zalety współczynnika rozszerzalności cieplnej zbliżonego do miedzi niż FR4 W związku z tym zminimalizowano naprężenia na cienkich przejściach miedzianych i przejściach Jednak materiał jest bardzo kruchy i łatwo się złamać
Brak naprężeń miedzianych przejść i przejść na płycie drukowanej
Niektóre materiały ceramiczne to: azotk boru, tlenek aluminium, węglik krzemu i azotku aluminium
Opór cieplny PCB-Metalowy rdzeń
Metalowy PCB zwykle posiada aluminiową płytę metalową o przewodności cieplnej 239 W/(m-K) Można połączyć tablicę z pobliską warstwą uziemienia, aby utworzyć dodatkową warstwę osłony EFI Oprócz lepszej przewodności, rdzeń metalowy zapewnia lepszą wytrzymałość mechaniczną i elastyczność niż ceramika Systemy LED o dużej mocy zazwyczaj używają drukowanych płyt drukowanych z rdzeniami metalowymi, ponieważ diody emitują dużo ciepła
Wysokowydajne urządzenie Ledge na aluminiowych płytach drukowanych
Technika zarządzania odpornością cieplną PCB podczas produkcji
Uwzględnij współczynnik temperaturowy przy wyborze komponentów i podłoża PCB
Jak już wcześniej wspomniano, właściwości materiałowe płyty i komponenty decydują o oporności cieplnej komponentów i śladów. Dlatego należy wybrać komponenty i podłoża PCB o korzystnych parametrach temperaturowych i opornościowych. Na przykład aluminium jest lepszym materiałem niż FR4 do szybkiego odprowadzania ciepła z diod LED.
Zapewnij odpowiednie odstępy pomiędzy komponentami o dużej mocy
Komponenty generujące ciepło należy rozmieścić na płytce w niewielkich odstępach. Takie rozmieszczenie powinno zmniejszyć ilość gorących punktów, które mogą powodować problemy podczas montażu rozpływowego.
Dobrze rozmieszczone diody LED dużej mocy na białej aluminiowej płytce PCB
Wykorzystaj przelotki termiczne do lepszego odprowadzania ciepła
Użyj wielu przelotek, aby odprowadzić ciepło z komponentów, szczególnie z elementów SMD o dużej mocy. Przelotki przelotowe są lepsze niż przelotki zakopane, ślepe i mikro, ponieważ szybciej odprowadzają ciepło od źródła ciepła, powierzchni płytki i komponentów.
Elementy SMD z przelotkami w pobliżu
Podsumowanie
Podsumowując, bardzo ważne jest uwzględnienie rezystancji termicznej PCB podczas jej projektowania i produkcji. Dlatego też należy sprawdzić kilka czynników, takich jak materiał podłoża, przelotki, komponenty, grubość miedzi śladów itp. Mamy nadzieję, że ten artykuł był wnikliwy, a jeśli masz jakieś pytania lub sugestie, skontaktuj się z nami, aby uzyskać więcej szczegółów.