PCB-Thermoanalyse und thermische Designtechniken

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PCB-Thermoanalyse und thermische Designtechniken

1. PCB-Wärmequelle

Zusätzlich zur Nutzarbeit wird ein Teil der vom Netzteil im Betrieb verbrauchten Leistung in Wärme umgewandelt. Die vom Netzteil erzeugte Wärme führt zu einem schnellen Anstieg der Innentemperatur. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt wird, steigt die Temperatur weiter an, die Komponenten fallen aufgrund von Überhitzung aus und die Zuverlässigkeit des Netzteils nimmt ab. SMT erhöht die Montagedichte von Netzteilkomponenten, verringert die effektive Wärmeableitungsfläche und der Temperaturanstieg des Netzteils beeinträchtigt die Zuverlässigkeit erheblich. Daher ist die Erforschung des thermischen Designs der Netzteilplatine sehr wichtig. Die direkte Ursache für den Temperaturanstieg auf der Leiterplatte des Netzteils liegt in der Existenz von Leistungskomponenten in den Schaltkreisen. Die elektronischen Komponenten weisen einen unterschiedlichen Stromverbrauch auf und die Wärmeintensität variiert mit dem Stromverbrauch. Die beiden Phänomene des Temperaturanstiegs bei PCB sind: 1 lokaler Temperaturanstieg oder großflächiger Temperaturanstieg; 2 Kurzzeitiger Temperaturanstieg oder langfristiger Temperaturanstieg.

In der Netzteilplatine gibt es drei Hauptwärmequellen: die Wärme der elektronischen Komponenten, die Wärme der Leiterplatte selbst und die Wärme anderer Teile. Unter den drei Wärmequellen erzeugt die Komponente die größte Wärmemenge, die die Hauptwärmequelle darstellt, gefolgt von der von der Leiterplatte erzeugten Wärme. Der externe Wärmeeintrag hängt vom gesamten thermischen Design des Netzteils ab.

Die Wärmeentwicklung von Bauteilen wird durch deren Stromverbrauch bestimmt. Daher sollten bei der Konstruktion zunächst Komponenten mit geringem Stromverbrauch ausgewählt werden, um die Wärmeentwicklung zu minimieren. Die zweite ist die Einstellung des Arbeitspunktes der Komponente. Im Allgemeinen sollte es innerhalb seines Nennarbeitsbereichs ausgewählt werden. Beim Arbeiten in diesem Bereich ist die Leistung gut, der Stromverbrauch gering und die Lebensdauer lang. Das Leistungsgerät selbst erzeugt viel Wärme und sollte so ausgelegt sein, dass ein Volllastbetrieb vermieden wird. Bei Hochleistungsgeräten sollte das Prinzip des Derating-Designs umgesetzt und der Designreichtum entsprechend erhöht werden, was der Erhöhung der Stabilität, Zuverlässigkeit und Wärmeerzeugung des Netzteils zugute kommt.

Die Leiterplatte besteht aus einem Kupferleiter und einem isolierenden dielektrischen Material, und es wird allgemein davon ausgegangen, dass das isolierende dielektrische Material keine Wärme erzeugt. Der Kupferleiter hat aufgrund des Kupfers selbst einen Widerstand. Wenn der Strom fließt, erzeugt er Wärme. Wenn ein kleiner Strom von mA (Milliampere) und μA (Mikroampere) fließt, ist das Erwärmungsproblem vernachlässigbar, aber wenn der Strom hoch ist (100 mA oder mehr), kann man ihn nicht ignorieren. Es ist zu beachten, dass, wenn die Temperatur des Kupferleiters auf 85 °C ansteigt, das Isoliermaterial selbst zu vergilben beginnt, der Strom weiter fließt und schließlich der Kupferleiter durchbrennt. Insbesondere ist der Kupferleiter in der Innenschicht der mehrschichtigen Leiterplatte von einem Harz mit schlechter Wärmeleitfähigkeit umgeben, und die Wärmeableitung ist schwierig, so dass die Temperatur zwangsläufig ansteigt, weshalb besonderes Augenmerk auf die Leitungsbreitengestaltung des Kupfers gelegt werden sollte Dirigent. Tatsächlich wird die Leiterbahnbreite bei der Gestaltung des PCB-Layouts hauptsächlich durch die Wärmeerzeugungs- und Wärmeableitungsumgebung bestimmt. Die Querschnittsfläche des Kupferleiters bestimmt den Drahtwiderstand (der durch den Leitungswiderstand in der digitalen Schaltung verursachte Signalverlust ist vernachlässigbar), und die Wärmeleitfähigkeit des Kupferleiters und des isolierenden Substrats beeinflusst den Temperaturanstieg, der wiederum den Temperaturanstieg beeinflusst bestimmt die aktuelle Tragfähigkeit. Beispielsweise ist die Querschnittsfläche des Kupferleiters konstant. Wenn der zulässige Stromwert 2 A beträgt und der Temperaturanstiegswert weniger als 10 °C beträgt, sollte die Linienbreite für die 35 μm-Kupferfolie auf 2 mm und für die 70 μm-Kupferfolie auf 1 mm ausgelegt werden. . Daraus lässt sich schließen, dass bei konstanter Querschnittsfläche, zulässigem Strom und Temperaturanstiegswert des Kupferleiters die Wärmeableitungsanforderung durch zwei Aspekte erfüllt werden kann: Erhöhen der Dicke der Kupferfolie oder Erhöhen der Linienbreite des Kupferleiters Kupferleiter.

2. Thermoanalyse des Stromkreises

Die thermische Schaltungsanalyse ist in drei Schritte unterteilt: Zuerst wird die in der Komponente erzeugte Wärme abgeschätzt, dann wird die von der Leiterplatte oder dem Kühlkörper abgegebene Wärme abgeschätzt und schließlich wird die Umgebungstemperatur geschätzt, bei der die Komponente betrieben wird. Die Leiterplatte oder der Kühlkörper leitet die Wärme der Komponente durch Konvektion, Leitung oder Strahlung ab. Die leitende Wärmeableitung erfolgt hauptsächlich durch die Wärmeleitung des Metallleiterrahmens des Leistungsgerätechips und der Kupferfolie auf der Leiterplatte. Sobald die Kupferfolie oder der diskrete Kühlkörper der Leiterplatte Wärme leitet, bietet sie eine ausreichend große Oberfläche für die konvektive Wärmeableitung, um die Wärme an die Luft abzuleiten.

Es gibt auch einige Schwierigkeiten bei der Ableitung der Konvektionswärme. Bei hohen Temperaturen erhöht sich der Wärmewiderstand. Aus diesem Grund wird der Wärmewiderstand als Parameter der thermischen Analyse verwendet. Wenn in den Bauteildaten der Wärmewiderstand Rja von der Verbindungsstelle nach außen angegeben ist, gibt der Wert den Temperaturanstieg an, wenn das Bauteil nicht mit dem Kühlkörper verbunden oder nicht mit der Leiterplatte verlötet ist. Der wichtigste Wärmewiderstand beim thermischen Design ist der Wärmewiderstand Rjb vom Chip zur Leiterplatte und der Wärmewiderstand Rjc vom Chip zur Gehäuseoberfläche. Rja kann mit zwei JEDEC-Standard-Leiterplatten gemessen werden, eine für einseitige Leiterplatten und die andere für mehrschichtige Leiterplatten. Wenn Sie über Rjb- und Rjc-Spezifikationen verfügen, können Sie den tatsächlichen Temperaturanstieg der Komponente abschätzen. Bei der Rja-Messung befinden sich keine anderen Chips auf der Platine. Wenn sich in der Nähe der Komponenten Netzteile und andere wärmeableitende Chips befinden und sich die Leiterplatte in einem lüfterlosen Kunststoffgehäuse mit begrenztem Platz befindet, ist der tatsächliche Temperaturanstieg höher als der Rja-Messwert. Der Wert liegt darin, dass die Oberseite der Kunststoffverpackung der meisten Komponenten nahezu keine Wärme überträgt. Die Wärmeleitfähigkeit von Epoxidharz beträgt 0,6 ~ 1 W/(m·K) (Watt pro Meter Kelvin), während die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer 400 W/(m·K) beträgt. Daher ist die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer 400 bis 600 Mal höher als die von Kunststoff.

Der letzte Schritt der thermischen Analyse ist die Schätzung der Umgebungstemperatur, was wichtig ist. Beispielsweise beträgt die Lufttemperatur im Labor 25 °C und der Chip auf dem Labortisch arbeitet bei 50 °C. Wenn diese Chips einer Umgebungstemperatur von 50 °C ausgesetzt werden, erreicht die Temperatur des Chips jedoch 75 °C Bei der Schätzung des Umgebungstemperaturschritts ist es manchmal unmöglich, die Umgebungsbedingungen zu bestimmen, unter denen die Komponente arbeiten kann.

Bei der Analyse des thermischen Stromverbrauchs von Leiterplatten wird dieser im Allgemeinen unter folgenden Aspekten analysiert.

(1) Elektrischer Stromverbrauch, d. h. der Stromverbrauch pro Flächeneinheit der Leiterplatte und der Stromverbrauch auf der Leiterplatte.

(2) Die Struktur der Leiterplatte, dh die Größe und das Material der Leiterplatte.

(3) PCB-Montagemethode (z. B. vertikale Installation, horizontale Installation), Dichtungszustand und Abstand vom Gehäuse.

(4) Wärmestrahlung, also der Emissionsgrad der Leiterplattenoberfläche, der Temperaturunterschied zwischen der Leiterplatte und der angrenzenden Oberfläche und deren absolute Temperatur.

(5) Wärmeleitung, d. h. die Leitung des Kühlers und anderer Montagebauteile.

(6) Thermische Konvektion, d. h. natürliche Konvektion und erzwungene Kühlkonvektion.

Die Analyse der oben genannten Faktoren ist eine effektive Möglichkeit, den Temperaturanstieg auf der Leiterplatte zu beheben. In einem Produkt und System sind diese Faktoren oft miteinander verknüpft und voneinander abhängig. Die meisten Faktoren sollten entsprechend der tatsächlichen Situation analysiert werden. Nur für eine bestimmte tatsächliche Situation können die Parameter wie Temperaturanstieg und Stromverbrauch korrekt berechnet oder geschätzt werden.

3. Grundlegende Anforderungen an das thermische PCB-Design

Beim Entwurf einer Leiterplatte, insbesondere beim Entwurf von Leiterplatten für die Oberflächenmontage, sollte zunächst das Problem der Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials berücksichtigt werden. Es gibt drei Arten von Gehäusesubstraten für Komponenten: starre organische Gehäusesubstrate, flexible organische Gehäusesubstrate und keramische Gehäusesubstrate. Das Substrat wird durch vier Methoden verpackt: Formtechnologie, geformte Keramiktechnologie, laminierte Keramiktechnologie und laminierter Kunststoff. Die für das Substrat verwendeten Materialien sind hauptsächlich Hochtemperatur-Epoxidharz, BT-Harz, Polyimid, Keramik und feuerfestes Glas. Diese Materialien weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit und niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten in X- und Y-Richtung auf. Bei der Auswahl des Leiterplattenmaterials sollten Sie die Verpackungsform des Bauteils und das Material des Substrats kennen und den Temperaturschwankungsbereich des Bauteillötprozesses berücksichtigen. Wählen Sie das Substrat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, der der thermischen Belastung entspricht, die durch den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials verursacht wird. .

Viele Komponenten verwenden ein Keramikgehäusesubstrat, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient typischerweise (5 ~ 7) × 10-6 / Grad C beträgt, der Wärmeausdehnungskoeffizient des bleifreien Keramikchipträgers LCCC beträgt (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / Grad . Für einige Komponentensubstrate werden dieselben Materialien wie für einige PCB-Substrate verwendet, beispielsweise PI, BT und hitzebeständiges Epoxidharz. Bei der Auswahl des Substrats der Leiterplatte sollte berücksichtigt werden, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats möglichst nahe am Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Komponentensubstrats liegt.

Der Leiter der Leiterplatte erfährt aufgrund des fließenden Stroms einen Temperaturanstieg und die Umgebungstemperatur sollte 125 °C nicht überschreiten (typische Werte sind je nach ausgewähltem Substrat üblich). Da Komponenten auf der Leiterplatte montiert sind und auch einen Teil der Wärme abgeben, die sich auf die Betriebstemperatur der Leiterplatte auswirkt, sollten diese Faktoren bei der Auswahl des Leiterplattenmaterials und des Leiterplattendesigns berücksichtigt werden. Die Hot-Spot-Temperatur sollte 125 Grad nicht überschreiten. Das Leiterplattensubstrat sollte möglichst mit einer dickeren Kupferfolie ausgewählt werden. In besonderen Fällen kann ein Substrat mit geringem Wärmewiderstand wie eine Aluminiumbasis oder eine Keramikbasis gewählt werden, und der mehrschichtige Aufbau trägt auch zum thermischen Design der Leiterplatte bei.

Derzeit weit verbreitete PCB-Substrate sind kupferkaschierte Epoxidglasgewebesubstrate oder Phenolharzglasgewebesubstrate und eine kleine Menge kupferkaschierter Substrate auf Papierbasis. Obwohl diese Substrate hervorragende elektrische Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften aufweisen, weisen sie eine schlechte Wärmeableitung auf. Als Wärmeableitungsmittel für stark wärmeerzeugende Komponenten wird kaum erwartet, dass es die Wärme vom Harz der Leiterplatte selbst ableitet, sondern dass es die Wärme von der Oberfläche der Komponenten an die Umgebungsluft ableitet. Da elektronische Produkte jedoch in die Ära der Miniaturisierung, der hochdichten Montage und der Montage mit hoher Hitze eintreten, reicht es nicht aus, Wärme über eine sehr kleine Komponentenoberfläche abzuleiten. Gleichzeitig wird aufgrund der großen Anzahl oberflächenmontierbarer Komponenten wie QFP und BGA die von den Komponenten erzeugte Wärme in großen Mengen auf die Leiterplatte übertragen. Daher besteht der beste Weg zur Lösung des Problems der Wärmeableitung darin, die Wärmeableitungsfähigkeit der Leiterplatte selbst in direktem Kontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten zu verbessern. Die Leiterplatte wird herausgeführt bzw. abgestrahlt.

4. Thermisches PCB-Design

Beim thermischen PCB-Design gibt es drei Maßnahmen: Leistungsreduzierung, Wärmeableitung und Layout. Bei der Wärmereduzierung geht es nicht darum, Wärme zu erzeugen; Die Wärmeableitung besteht darin, Wärme zu leiten oder abzuleiten, die die Komponenten nicht beeinträchtigt. Das Layout sieht vor, dass die wärmeempfindlichen Komponenten durch das Layout isoliert werden können, wenn die Wärme nicht abgeführt wird. Die Reduzierung des Verbrauchs ist die grundlegendste Lösung. Es gibt zwei Hauptansätze für Derating und Low-Power-Design, diese müssen jedoch in Kombination mit spezifischen Designs analysiert werden. Versuchen Sie bei der Auswahl von Komponenten, Komponenten mit geringer Wärmeentwicklung zu verwenden, wie z. B. Chip-Widerstände, drahtgewickelte Widerstände (weniger Kohlenstoffschichtwiderstände), monolithische Kondensatoren, Tantalkondensatoren (weniger Papierkondensatoren), MOS, CMOS-Schaltkreise (weniger verwendet) (Röhren), Oberflächenmontagegeräte usw. Neben der Auswahl von Komponenten mit geringem Stromverbrauch gehört auch die Temperaturkompensation und Steuerung einiger temperaturempfindlicher Spezialkomponenten zu den Lösungen.

Bei der Leistungsreduzierung muss berücksichtigt werden, wie der Verbrauch gesenkt werden kann. Angenommen, ein dünner Draht kann nominell einen Strom von 10 A leiten. Der Strom erzeugt dort mehr Wärme und der Draht wird verdickt, um den Rand zu vergrößern. Es wird nominell durch 20A geführt. Wenn der Strom durch 10 A geleitet wird, wird der Wärmeverlust aufgrund des Innenwiderstands verringert und die Wärme ist gering. Darüber hinaus kann aufgrund des Derating-Designs die Anforderung erfüllt werden, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt und die Leistung der Komponente aufgrund des Spielraums abnimmt, selbst wenn die Leistung abnimmt. Wenn unter den gegebenen Bedingungen die Temperatur der Komponenten im Schaltkreis über die für die Zuverlässigkeit garantierte Temperatur ansteigt, sollten geeignete Wärmeableitungsmaßnahmen ergriffen werden, um die Temperatur auf den Zuverlässigkeits-Arbeitsbereich zu senken, was das ultimative Ziel des thermischen Designs ist.

Die Wärmeableitung ist der Hauptinhalt des thermischen PCB-Designs. Bei Leiterplatten gibt es drei grundlegende Arten der Wärmeableitung: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Mittel zur Wärmeableitung. Die übliche Methode zur Wärmeableitung besteht darin, einen Kühlkörper zu verwenden, um die Wärme von der Wärmequelle abzuleiten und durch Luftkonvektion abzuleiten. Strahlung ist die Verwendung elektromagnetischer Wellen im Weltraum zur Wärmeableitung, die eine geringe Wärmeableitung aufweist und normalerweise als Hilfsmittel zur Wärmeableitung verwendet wird.

Der Zweck des thermischen PCB-Designs besteht darin, geeignete Maßnahmen und Methoden zu ergreifen, um die Temperatur der Komponenten und die PCB-Temperatur zu senken, damit das System bei der richtigen Temperatur ordnungsgemäß funktioniert. Um die Wärmeableitung zu erleichtern, wird die Leiterplatte vorzugsweise aufrecht montiert und der Abstand zwischen Leiterplatte und Leiterplatte beträgt im Allgemeinen nicht weniger als 2 cm.