Temperatura PCB: Przewodnik po tym, jak zarządzać wysokimi temperaturami

Choć pewne fundamenty konstrukcji PCB pozostają niezmienne od dawna, technologie wpływające na obwody drukowane rozwijały się w ostatnich dekadach błyskawicznie. Jedną z kwestii, która pozostaje niezmiennie aktualna, jest temperatura PCB.

Na fizyczną budowę PCB składają się ścieżki, otwory, warstwy, przelotki oraz maski lutownicze. Na każdy z tych elementów może oddziaływać temperatura PCB.

Gdy temperatura PCB stale rośnie, problemy mogą narastać lawinowo. Pozostawione bez kontroli, negatywnie odbiją się na wydajności płytki.

W tym artykule omawiamy projektowanie płytek pracujących w wysokich temperaturach oraz sposoby precyzyjnego zarządzania temperaturą.

1. Przyczyny wysokiej temperatury PCB

Pierwszym krokiem w precyzyjnym zarządzaniu czymkolwiek jest zlokalizowanie źródła problemu. Temperatura PCB nie jest tu wyjątkiem — a ponieważ praca obwodu drukowanego nieodłącznie wiąże się z wydzielaniem ciepła, najpierw trzeba ustalić przyczynę zbyt wysokiej temperatury płytki.

Wysoka temperatura PCB może powodować problemy z wydajnością. Gdy przez płytkę płyną zbyt duże prądy, temperatura rośnie.

Istnieją trzy charakterystyczne objawy tej anomalii.

Rozpraszanie mocy w komponentach

To pierwszy sygnał, że temperatura PCB rośnie zbyt mocno. Warto pamiętać, że ciepło wydzielane przez komponent jest wprost proporcjonalne do prądu obciążenia, który przez niego przepływa.

W tym przypadku zjawisko to występuje, gdy jeden z komponentów PCB nie oddaje mocy w typowy dla siebie sposób. Powoduje to, że pozostałe komponenty wydzielają więcej mocy niż zwykle, próbując zrównoważyć pracę wadliwego elementu.

Jeżeli na przykład prąd płynący przez rezystor jest niestabilny, kondensator i inne kluczowe komponenty płytki przejmą większy ładunek niż zwykle, aby to skompensować.

Komponenty przewlekane 

Jednym z elementów najczęściej wspomagających pracę komponentów jest radiator. Komponenty współpracujące z radiatorami nazywane są również komponentami przewlekanymi (through-hole).

Komponenty te oddają ciepło, rozpraszając je w powietrzu. Umożliwia to radiator, a jednym ze sposobów precyzyjnej kontroli temperatury PCB jest sprawdzenie, czy radiator został poprawnie przylutowany.

Jeśli inny komponent na płytce koliduje z otworami przelotowymi lub radiatorami, pozostałe elementy będą pracować ze zwiększonym obciążeniem i wydzielać więcej ciepła, niż to konieczne.

Komponenty SMD

Skrót SMD oznacza „surface mount device”, czyli element montowany powierzchniowo. Jest on łączony z PCB podobnie jak komponent przewlekany i zapewnia płynniejszy przepływ prądu między komponentami przewlekanymi a elementami z radiatorami.

Jeśli chodzi o utrzymanie właściwej temperatury PCB, jeden z najczęstszych problemów dotyczy położenia komponentów przewlekanych względem komponentów SMD na płytce. 

Jeżeli znajdują się zbyt daleko od siebie, przesył mocy między nimi może trwać zbyt długo. W efekcie część komponentów pozostaje zbyt chłodna, co prowadzi do przegrzewania się innych. Z kolei gdy są umieszczone zbyt blisko siebie, temperatura będzie nienaturalnie wysoka.

Wiele z tych informacji pochodzi z naszej codziennej praktyki w OurPCB — precyzyjnym zarządzaniem temperaturą PCB zajmujemy się na co dzień.  

2. Drogi przenoszenia ciepła w PCB

Cechą temperatury jest to, że nigdy nie pozostaje statyczna — praktycznie ciągle się zmienia. Trzeba mieć tego świadomość, a także znać różne drogi, którymi ciepło przenosi się w obrębie PCB.

Na temperaturę wpływa wiele czynników. Aby precyzyjnie zarządzać zarówno ogólną temperaturą płytki, jak i temperaturą poszczególnych komponentów, trzeba nie tylko znać te drogi przenoszenia ciepła, ale też wiedzieć, które komponenty PCB z której z nich korzystają.

Promieniowanie

Gdy mowa o energii cieplnej w postaci fal elektromagnetycznych, chodzi właśnie o promieniowanie. Ciepło promieniowania powstaje zazwyczaj pasywnie, co oznacza, że nie da się za jego pomocą bezpośrednio obniżyć ani podnieść temperatury.

Ciepło promieniowania ma niemal pomijalny wpływ na temperaturę PCB.

 Jednocześnie to właśnie ta droga przenoszenia ciepła zasługuje na szczególną uwagę, ponieważ na temperaturę PCB wpływa również energia cieplna z otoczenia.

W kwestii temperatury nic nie jest tak naprawdę pomijalne. Pomyśl, co by się stało, gdyby samolot zboczył z kursu o zaledwie jeden stopień: wyląduje w innym miejscu, niż planowano, niezależnie od tego, jak krótka byłaby trasa.

Z temperaturą PCB jest podobnie. Jeśli płytka do optymalnej pracy potrzebuje temperatury 30 stopni Celsjusza, a przez długi czas utrzymuje się na poziomie 32 stopni, skutki nie będą pożądane.

Choć ciepłem promieniowania nie da się zarządzać bezpośrednio, można to robić pośrednio. Jednym ze sposobów jest montaż i produkcja PCB w środowisku o stałej temperaturze.

Konwekcja

Konwekcja zachodzi, gdy ciepło jest przekazywane cieczom lub powietrzu. W przeciwieństwie do promieniowania konwekcja działa całkowicie bezpośrednio i bardzo silnie wpływa na ogólną temperaturę PCB.

Najbardziej znanym przykładem konwekcji jest gotowanie. W końcu niemal wszystkie piekarniki to piekarniki konwekcyjne: ciepło z piekarnika jest przekazywane powietrzu i to właśnie ono podgrzewa potrawy.

Swoiste „gotowanie” dotyczy także materiałów PCB — i tak jak w kuchni trzeba znać temperatury przyrządzania potraw, tak samo trzeba znać temperatury podgrzewania materiałów PCB.

Przewodzenie

Najbardziej bezpośrednią drogą przenoszenia ciepła jest przewodzenie. Polega ono na przekazywaniu ciepła między źródłem ciepła a elementem, który je odbiera.

Najbardziej wyrazistym przykładem jest uderzenie pioruna w metal lub ciecz. Źródłem ciepła jest tu piorun, a odbiornikiem ciepła — materiał metalowy lub ciekły.

Wiedza o tym, które komponenty PCB pełnią rolę źródeł ciepła, a które ciepło odbierają, to dobry punkt wyjścia do określenia, jakie prądy poszczególne komponenty są w stanie wytrzymać.

3. Odporność temperaturowa PCB

Producenci PCB miewają problemy z przegrzewającymi się komponentami także dlatego, że po prostu nie poświęcili czasu na poznanie temperatur, jakie są w stanie wytrzymać poszczególne materiały.

Zdobycie tej wiedzy i sporządzenie zestawienia to obowiązek każdego producenta. Podręczna lista pokazująca, jak bardzo może nagrzać się każdy materiał, jest bardzo przydatna, a w wielu przypadkach wręcz niezbędna.

Przykładowo panele PCB zawierają materiał FR-4, który wytrzymuje temperatury rzędu 90–110 stopni Celsjusza. Dlatego przygotowując płytkę z materiałów FR-4, należy zwracać uwagę na wszelkie prądy, które mogłyby rozgrzać ten materiał powyżej 110 stopni Celsjusza. 

Znajomość temperatur, jakie wytrzymują panele produkowanych płytek, to jeden z najważniejszych — a zarazem najczęściej pomijanych — aspektów precyzyjnego zarządzania temperaturą PCB.

4. Jak mierzyć temperaturę PCB

Niezwykle ważne jest zrozumienie, jakie temperatury wytrzymują materiały paneli PCB. Równie istotna jest wiedza o tym, jak ciepło przenosi się między komponentami PCB.

Ta wiedza pomaga precyzyjnie zarządzać ogólną temperaturą płytki. Warto również wiedzieć, jak temperaturę PCB mierzyć.

Pomiar nie oznacza tu sprawdzania wyświetlanych temperatur otoczenia.

 Chodzi raczej o pomiar tego, jak temperatura rośnie i spada. Znajomość tych procesów to jedna z najdokładniejszych metod określania ogólnej temperatury PCB.

Zanim zmierzysz temperaturę PCB w ten sposób, musisz zidentyfikować kilka elementów: główne źródło ciepła oraz czujnik temperatury. To właśnie tam powstaje większość ciepła i tam płynie najwięcej prądu.

Następnie należy odszukać wyprowadzenie GND źródła ciepła. Jest ono zazwyczaj połączone z podłożem tego źródła.

Następnie temperaturę PCB można zmierzyć, wykonując trzy poniższe kroki:

Zastosuj wspólną płaszczyznę masy dla czujnika temperatury i źródła ciepła.

 Podłącz wyprowadzenia GND wszystkich czujników temperatury do płaszczyzny masy źródła ciepła.

Umieść czujnik temperatury i źródło ciepła stosunkowo blisko siebie na płytce.

Dzięki temu możesz dokładnie i konsekwentnie śledzić zarówno globalną temperaturę PCB, jak i temperaturę głównego źródła ciepła.

5. Skutki nadmiernej temperatury PCB

Umiejętność dokładnego i rzetelnego pomiaru temperatury PCB to jedno. Co jednak się dzieje, gdy komponenty i materiały płytki nadmiernie się nagrzeją?

Nadmierna temperatura niszczy integralność warstw.

Co się dzieje, gdy coś staje się wyjątkowo gorące albo zimne? Odpowiednio — rozszerza się lub kurczy.

Z PCB jest tak samo. Warstwy płytki są wrażliwe na temperaturę i bez precyzyjnej kontroli nadmierne temperatury zdeformują długość, szerokość i grubość każdej z nich.

Wracając do przykładu konwekcji z rozdziału 2: przypomina to pozostawienie jedzenia w mikrofalówce na zbyt długo, przez co potrawa w środku eksploduje.

Podobnie dzieje się z warstwami PCB, gdy zostaną przegrzane.

Energia cieplna rozszerza większość materiałów, zmieniając ich właściwości.

Nadmiernie podgrzane materiały rozszerzają się, co w pewnym stopniu zmienia ich kształt.

Materiały obwodów nie są od tego wolne. Wysokie temperatury mogą zmieniać — i zmieniają — kształt linii transmisyjnych w tych materiałach. Gdy do tego dochodzi, zmieniają się również wymiary samych materiałów obwodu.

Skutkuje to stratami, zniekształceniami i przesunięciami częstotliwości w materiałach obwodu.

Materiały rozszerzają się w różnym tempie.

Materiały w PCB nie tylko rozszerzają się pod wpływem wysokich temperatur, ale robią to także w różnym tempie.

Powierzchnię PCB tworzą warstwy dielektryczne oraz przewodzące warstwy metalu. Rozszerzają się one w różnych granicach i z różną prędkością. Różnice te nie sprowadzają się wyłącznie do podziału na dielektryk i przewodnik — żadne dwie warstwy dielektryczne czy przewodzące nie są identyczne.

Jednym z najczęstszych błędów producentów PCB jest mylenie tych dwóch typów warstw. Zawsze upewnij się, z którą warstwą aktualnie pracujesz.

Lutowanie płytek wymaga różnych temperatur. 

Zgrzewanie i lutowanie to umiejętności niezbędne dla każdego, kto chce produkować, testować i wytwarzać PCB.

Wiedzieć, w jakich temperaturach prowadzi się zgrzewanie i lutowanie, powinien każdy pracownik firmy produkującej PCB — nawet jeśli sam bezpośrednio nie zajmuje się łączeniem materiałów.

6. Dobór właściwych materiałów PCB

Kolejnym sposobem precyzyjnego zarządzania temperaturą PCB jest dobór właściwych materiałów na płyty. Wybór niewłaściwych materiałów znacznie utrudnia późniejszą kontrolę temperatury.

Najpopularniejszym materiałem na płyty PCB jest FR-4. Powinien po niego sięgnąć każdy, kto dopiero zaczyna przygodę z PCB lub chce zminimalizować ryzyko. W OurPCB zapewniamy kompleksową obsługę i produkty wysokiej jakości — wystarczy przesłać nam dokumentację produkcyjną, a wycenę otrzymasz w ciągu 12 godzin roboczych. Mamy ponad 20 lat doświadczenia w produkcji PCB (od 2005 r.). Wspólną cechą materiałów FR-4 jest dobra odporność na wysokie temperatury.

Dwa inne, rzadziej stosowane materiały to poliimid i laminaty RF. Choć nie znoszą one temperatur tak dobrze jak FR-4, mają inne właściwości, których materiałom FR-4 brakuje.

Poniższe zestawienie zawiera większość potrzebnych informacji o tych materiałach pod kątem ich odporności temperaturowej.

Pełną listę znajdziesz tutaj: https://bayareacircuits.com/material-library/

7. Metody obniżania temperatury PCB

Na koniec pora przyjrzeć się sposobom na obniżenie temperatury PCB. Można je zastosować do każdego materiału i każdej płytki.

Radiatory

Części, materiały i komponenty PCB wydzielają ciepło. Odpowiedni radiator rozprasza je, umożliwiając precyzyjną kontrolę temperatury.

Wentylatory chłodzące

Niemal każde urządzenie elektroniczne ma wentylator, ale wiele osób nie rozumie, do czego on służy. 

Niezależnie od tego, czy wentylator jest częścią gotowego urządzenia elektronicznego, czy płytki dopiero powstającej na linii produkcyjnej OurPCB, jego zadaniem jest wyprowadzanie gorącego powietrza z urządzenia i wpuszczanie do środka chłodnego. W OurPCB zapewniamy kompleksową obsługę i produkty wysokiej jakości — prześlij nam dokumentację produkcyjną, a wycenę otrzymasz w ciągu 12 godzin roboczych.

Grubsze płyty potrzebują więcej mocy, aby osiągnąć wysoką temperaturę.

Grubość płyty to jedno z bardziej kłopotliwych zagadnień, z jakimi mierzą się producenci w kontekście temperatury PCB. 

Choć grubsze płyty potrzebują więcej mocy, aby osiągnąć wyższą temperaturę, to im płyta jest szersza, tym mniejszy stawia opór, co może spowalniać wzrost temperatury. Ta zależność daje kolejną metodę kontrolowania temperatury PCB.

Integracja rurek cieplnych — na co zwrócić uwagę

Jaki jest główny cel każdej rury? Uporządkowanie przepływu danej substancji.

Dotyczy to również precyzyjnego zarządzania temperaturą PCB, ponieważ ciecze wykorzystywane w produkcji PCB mogą pochłaniać ciepło, odparowywać, a następnie ponownie skraplać się do postaci ciekłej.

Tego rodzaju proces pozwala kontynuować pracę z dowolnymi materiałami i komponentami, a jednocześnie automatycznie i precyzyjnie kontrolować temperaturę.

Podsumowanie

Jeśli zwracasz uwagę na szczegóły i jesteś dobrze poinformowany, zrozumienie przyczyn i rozwiązań związanych z temperaturą PCB nie jest trudne. Dodatkowe informacje znajdziesz także w pozostałych artykułach na naszym blogu.

Precyzyjne zarządzanie temperaturą PCB wymaga przyswojenia wielu zagadnień, a kluczem do sukcesu są cierpliwość i konsekwencja. Opanowanie tej sztuki zajmuje sporo czasu, a przewodniki takie jak ten pozwalają go znacznie zaoszczędzić.

OurPCB od lat specjalizuje się w usługach produkcji PCB. Dbamy nie tylko o dzielenie się wiedzą z innymi producentami, ale także o dostarczanie najlepszych materiałów, komponentów i usług.