Kỹ thuật phân tích nhiệt và thiết kế nhiệt PCB

Công ty TNHH Điện tử công nghệ cao Thâm Quyến Shenchuang (SChitec) là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên sản xuất và bán phụ kiện điện thoại. Các sản phẩm chính của chúng tôi bao gồm bộ sạc du lịch, bộ sạc xe hơi, cáp USB, bộ sạc dự phòng và các sản phẩm kỹ thuật số khác. Tất cả các sản phẩm đều an toàn và đáng tin cậy, với kiểu dáng độc đáo. Sản phẩm đạt các chứng chỉ như CE, FCC, ROHS, UL, PSE, C-Tick, v.v. , Nếu quan tâm, bạn có thể liên hệ trực tiếp với ceo@schitec.com.

Luôn sạc an toàn với SChitec

Kỹ thuật phân tích nhiệt và thiết kế nhiệt PCB

1. Nguồn nhiệt PCB

Ngoài công dụng hữu ích, một phần điện năng mà bộ đổi nguồn tiêu thụ trong quá trình hoạt động được chuyển hóa thành nhiệt. Nhiệt lượng do bộ đổi nguồn tạo ra khiến nhiệt độ bên trong tăng nhanh. Nếu nhiệt không được tản đi kịp thời, nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng, các bộ phận sẽ bị hỏng do quá nóng và độ tin cậy của bộ đổi nguồn sẽ giảm. SMT làm tăng mật độ lắp đặt của các thành phần bộ đổi nguồn, giảm diện tích tản nhiệt hiệu quả và sự tăng nhiệt độ của bộ đổi nguồn ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế nhiệt của bộ đổi nguồn PCB là rất quan trọng. Nguyên nhân trực tiếp khiến nhiệt độ của bộ đổi nguồn PCB tăng lên là do sự tồn tại của các thành phần nguồn điện trong mạch, các linh kiện điện tử có mức tiêu thụ điện năng khác nhau và cường độ nhiệt thay đổi theo mức tiêu thụ điện năng. Hai hiện tượng tăng nhiệt độ trong PCB là: 1 tăng nhiệt độ cục bộ hoặc tăng nhiệt độ diện rộng; 2 tăng nhiệt độ trong thời gian ngắn hoặc tăng nhiệt độ trong thời gian dài.

Có ba nguồn nhiệt chính trong bộ đổi nguồn PCB: nhiệt của các linh kiện điện tử, nhiệt của chính PCB và nhiệt từ các bộ phận khác. Trong 3 nguồn nhiệt, linh kiện sinh ra lượng nhiệt lớn nhất, là nguồn nhiệt chính, tiếp đến là nhiệt do PCB tạo ra. Nhiệt lượng đầu vào bên ngoài phụ thuộc vào thiết kế nhiệt tổng thể của bộ đổi nguồn.

Sự sinh nhiệt của các bộ phận được xác định bởi mức tiêu thụ điện năng của chúng. Vì vậy, những linh kiện có mức tiêu thụ điện năng thấp nên được lựa chọn đầu tiên trong thiết kế để hạn chế tối đa việc sinh nhiệt. Thứ hai là thiết lập điểm làm việc của thành phần. Nói chung, nó nên được chọn trong phạm vi làm việc định mức của nó. Khi làm việc trong phạm vi này, hiệu suất tốt, mức tiêu thụ điện năng nhỏ và tuổi thọ dài. Bản thân thiết bị điện tạo ra một lượng nhiệt lớn và phải được thiết kế để tránh hoạt động đầy tải. Đối với các thiết bị công suất cao, nên thực hiện nguyên tắc thiết kế giảm công suất và tăng mức độ phong phú của thiết kế một cách thích hợp, điều này có lợi cho việc tăng độ ổn định, độ tin cậy và khả năng sinh nhiệt của bộ đổi nguồn.

PCB bao gồm một dây dẫn bằng đồng và một vật liệu điện môi cách điện, và người ta thường coi vật liệu điện môi cách điện không tạo ra nhiệt. Dây dẫn đồng có điện trở là do đồng. Khi dòng điện đi qua sẽ sinh ra nhiệt. Khi dòng điện nhỏ mA (milliampere) và μA (microampere) đi qua, vấn đề nóng lên là không đáng kể, nhưng khi dòng điện cao (100 mA trở lên) khi vượt qua, bạn không thể bỏ qua. Điều đáng chú ý là khi nhiệt độ dây dẫn đồng tăng lên 85 độ C, vật liệu cách điện bắt đầu chuyển sang màu vàng, dòng điện tiếp tục chạy qua và cuối cùng dây dẫn đồng bị nổ. Đặc biệt, dây dẫn đồng ở lớp bên trong của PCB đa lớp được bao quanh bởi nhựa có tính dẫn nhiệt kém, khó tản nhiệt nên nhiệt độ không thể tránh khỏi tăng lên, vì vậy cần đặc biệt chú ý đến thiết kế chiều rộng đường dây của đồng. Nhạc trưởng. Trên thực tế, khi thiết kế bố trí PCB, chiều rộng vết chủ yếu được xác định bởi môi trường sinh nhiệt và tản nhiệt. Diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn đồng xác định điện trở của dây (mất tín hiệu do điện trở đường dây trong mạch kỹ thuật số gây ra là không đáng kể), và độ dẫn nhiệt của dây dẫn đồng và chất nền cách điện ảnh hưởng đến sự tăng nhiệt độ, do đó xác định khả năng mang dòng điện. Ví dụ, diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn đồng là không đổi. Khi giá trị dòng điện cho phép là 2A và giá trị tăng nhiệt độ thấp hơn 10 độ C, chiều rộng đường dây phải được thiết kế là 2 mm đối với lá đồng 35 μm và 1 mm đối với lá đồng 70 μm. . Có thể kết luận rằng khi diện tích mặt cắt, dòng điện cho phép và giá trị tăng nhiệt độ của dây dẫn đồng không đổi thì yêu cầu tản nhiệt có thể được thỏa mãn từ hai khía cạnh là tăng độ dày của lá đồng hoặc tăng độ rộng đường dây của dây dẫn đồng.

2. Phân tích nhiệt mạch

Phân tích nhiệt mạch được chia thành ba bước: đầu tiên ước tính nhiệt sinh ra trong linh kiện, sau đó ước tính nhiệt lượng tỏa ra từ PCB hoặc tản nhiệt và cuối cùng là ước tính nhiệt độ môi trường mà linh kiện sẽ hoạt động. PCB hoặc tản nhiệt sẽ tiêu tán nhiệt của linh kiện bằng cách đối lưu, dẫn nhiệt hoặc bức xạ. Tản nhiệt dẫn điện chủ yếu thông qua sự dẫn nhiệt của khung chì kim loại chip thiết bị điện và lá đồng trên PCB. Khi lá đồng PCB hoặc tản nhiệt rời dẫn nhiệt, nó sẽ cung cấp diện tích bề mặt đủ lớn để tản nhiệt đối lưu tản nhiệt vào không khí.

Cũng có một số khó khăn trong việc tản nhiệt đối lưu. Ở nhiệt độ cao, điện trở nhiệt tăng lên. Vì lý do này, điện trở nhiệt được sử dụng làm thông số phân tích nhiệt. Nếu điện trở nhiệt Rja từ điểm nối ra bên ngoài được đưa ra trong dữ liệu thành phần, giá trị này biểu thị mức tăng nhiệt độ khi thành phần đó không được kết nối với tản nhiệt hoặc không được hàn vào PCB. Điện trở nhiệt quan trọng trong thiết kế nhiệt là điện trở nhiệt Rjb từ chip đến PCB và điện trở nhiệt Rjc từ chip đến bề mặt gói hàng. Rja có thể được đo bằng hai PCB tiêu chuẩn JEDEC, một dành cho PCB một mặt và một dành cho PCB nhiều lớp. Nếu bạn có thông số kỹ thuật Rjb và Rjc, bạn có thể ước tính mức tăng nhiệt độ thực của linh kiện. Khi đo Rja, không có chip nào khác trên PCB. Khi có bộ nguồn và các chip tản nhiệt khác xung quanh các bộ phận và khi PCB ở trong hộp nhựa không quạt với không gian hạn chế, mức tăng nhiệt độ thực tế sẽ cao hơn phép đo Rja. Giá trị này là do bề mặt trên cùng của gói nhựa của hầu hết các thành phần hầu như không truyền nhiệt. Độ dẫn nhiệt của nhựa epoxy là 0,6 ~ 1W / (m · K) (watt trên mét Kelvin), trong khi độ dẫn nhiệt của đồng là 400W / (m · K). Vì vậy, độ dẫn nhiệt của đồng cao hơn nhựa từ 400 đến 600 lần.

Bước cuối cùng trong phân tích nhiệt là ước tính nhiệt độ môi trường, đây là bước quan trọng. Ví dụ, nhiệt độ không khí trong phòng thí nghiệm là 25 độ C và con chip trên bàn làm việc ở nhiệt độ 50 độ C. Khi những con chip này được đặt ở nhiệt độ môi trường xung quanh là 50 độ C, nhiệt độ của con chip sẽ đạt tới 75 độ C. Tuy nhiên , khi ước tính bước nhiệt độ môi trường, đôi khi không thể xác định được các điều kiện môi trường mà thành phần có thể hoạt động.

Khi phân tích mức tiêu thụ năng lượng nhiệt PCB, nó thường được phân tích từ các khía cạnh sau.

(1) Tiêu thụ điện năng, nghĩa là mức tiêu thụ điện năng trên một đơn vị diện tích của PCB và mức tiêu thụ điện năng trên PCB.

(2) Cấu trúc của PCB, tức là kích thước và vật liệu của PCB.

(3) Phương pháp lắp PCB (chẳng hạn như lắp đặt dọc, lắp đặt ngang), tình trạng bịt kín và khoảng cách từ vỏ.

(4) Bức xạ nhiệt, tức là độ phát xạ của bề mặt PCB, chênh lệch nhiệt độ giữa PCB và bề mặt liền kề và nhiệt độ tuyệt đối của chúng.

(5) Dẫn nhiệt, nghĩa là dẫn nhiệt của bộ tản nhiệt và các bộ phận kết cấu lắp đặt khác.

(6) Đối lưu nhiệt, tức là đối lưu tự nhiên và đối lưu làm mát cưỡng bức.

Việc phân tích các yếu tố trên là một cách hiệu quả để giải quyết sự gia tăng nhiệt độ PCB. Thông thường trong một sản phẩm và hệ thống, các yếu tố này có liên quan và phụ thuộc lẫn nhau. Hầu hết các yếu tố cần được phân tích theo tình hình thực tế. Chỉ trong một tình huống thực tế cụ thể, các thông số như độ tăng nhiệt độ và mức tiêu thụ điện năng mới có thể được tính toán hoặc ước tính chính xác.

3. Yêu cầu cơ bản đối với thiết kế nhiệt PCB

Khi thiết kế PCB, đặc biệt là đối với thiết kế PCB gắn trên bề mặt, trước tiên cần xem xét vấn đề phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu. Có ba loại chất nền gói cho các thành phần: chất nền gói hữu cơ cứng, chất nền gói hữu cơ linh hoạt và chất nền gói gốm. Chất nền được đóng gói theo 4 phương pháp: công nghệ đúc khuôn, công nghệ gốm đúc khuôn, công nghệ gốm nhiều lớp và nhựa nhiều lớp. Vật liệu làm lớp nền chủ yếu là nhựa epoxy nhiệt độ cao, nhựa BT, polyimide, gốm và thủy tinh chịu lửa. Những vật liệu này có khả năng chịu nhiệt độ cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp theo hướng X và Y. Khi chọn vật liệu PCB, bạn nên hiểu dạng đóng gói của linh kiện và vật liệu của chất nền, đồng thời xem xét phạm vi biến đổi nhiệt độ của quá trình hàn linh kiện. Chọn chất nền có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp với ứng suất nhiệt gây ra bởi sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu. .

Nhiều thành phần sử dụng chất nền gói gốm, hệ số giãn nở nhiệt của nó thường là (5 ~ 7) × 10-6 / độ C, hệ số giãn nở nhiệt của chất mang chip gốm không chì LCCC là (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / bằng cấp . Một số chất nền thành phần sử dụng vật liệu giống như một số chất nền PCB, chẳng hạn như PI, BT và epoxy chịu nhiệt. Khi chọn chất nền của PCB, hệ số giãn nở nhiệt của chất nền phải được xem xét càng gần với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu của chất nền thành phần càng tốt.

Dây dẫn của PCB bị tăng nhiệt độ do dòng điện đi qua và nhiệt độ môi trường không được vượt quá 125 độ C (các giá trị điển hình là phổ biến, tùy thuộc vào chất nền được chọn). Do các thành phần được gắn trên PCB và cũng tỏa ra một phần nhiệt ảnh hưởng đến nhiệt độ hoạt động của PCB nên các yếu tố này cần được xem xét khi lựa chọn vật liệu PCB và thiết kế PCB. Nhiệt độ điểm nóng không được vượt quá 125 độ. Chất nền PCB nên được chọn với lá đồng dày hơn càng nhiều càng tốt. Trong trường hợp đặc biệt, có thể chọn chất nền có khả năng chịu nhiệt nhỏ như đế nhôm hoặc đế gốm và cấu trúc nhiều lớp cũng góp phần vào thiết kế nhiệt của PCB.

Chất nền PCB được sử dụng rộng rãi hiện nay là chất nền vải thủy tinh epoxy phủ đồng hoặc chất nền vải thủy tinh nhựa phenolic và một lượng nhỏ chất nền phủ đồng trên giấy. Mặc dù các chất nền này có đặc tính điện và đặc tính xử lý tuyệt vời nhưng chúng có khả năng tản nhiệt kém. Là một phương tiện tản nhiệt cho các bộ phận sinh nhiệt cao, nó hầu như không dẫn nhiệt từ nhựa của bản thân PCB mà sẽ tản nhiệt từ bề mặt của các bộ phận ra không khí xung quanh. Tuy nhiên, khi các sản phẩm điện tử bước vào kỷ nguyên thu nhỏ, lắp đặt mật độ cao và lắp ráp nhiệt độ cao, việc tản nhiệt bằng một diện tích bề mặt linh kiện rất nhỏ là không đủ. Đồng thời, do số lượng lớn các linh kiện gắn trên bề mặt như QFP và BGA nên nhiệt lượng do các linh kiện tạo ra sẽ được truyền tới PCB với số lượng lớn. Vì vậy, cách tốt nhất để giải quyết vấn đề tản nhiệt là nâng cao khả năng tản nhiệt của bản thân PCB khi tiếp xúc trực tiếp với các bộ phận sinh nhiệt. PCB được tiến hành hoặc phát ra.

4. Thiết kế nhiệt PCB

Có ba biện pháp trong thiết kế nhiệt PCB: giảm công suất, tản nhiệt và bố trí. Việc giảm nhiệt không phải để sinh ra nhiệt; tản nhiệt là để dẫn hoặc tản nhiệt, không ảnh hưởng đến các bộ phận; cách bố trí là nếu nhiệt không bị tiêu tán, các thành phần nhạy cảm với nhiệt có thể được cách ly bằng cách bố trí. Giảm tiêu dùng là giải pháp căn bản nhất. Có hai cách tiếp cận chính để thiết kế giảm công suất và công suất thấp, nhưng chúng cần được phân tích kết hợp với các thiết kế cụ thể. Khi lựa chọn linh kiện, hãy cố gắng sử dụng các linh kiện có khả năng sinh nhiệt nhỏ, chẳng hạn như điện trở chip, điện trở quấn dây (ít điện trở màng carbon), tụ điện nguyên khối, tụ điện tantalum (ít tụ giấy), mạch MOS, CMOS (ít dùng hơn) 锗 ống), thiết bị gắn trên bề mặt, v.v.. Ngoài việc lựa chọn các linh kiện có công suất thấp, việc bù nhiệt và kiểm soát một số linh kiện đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ cũng là một trong những giải pháp.

Giảm tải cần phải xem xét cách giảm tiêu thụ. Giả sử một dây mỏng có khả năng cho dòng điện 10A chạy qua. Dòng điện tạo ra nhiều nhiệt hơn trên nó và dây được làm dày hơn để tăng biên độ. Trên danh nghĩa nó được truyền qua 20A. Khi cho dòng điện chạy qua 10A thì tổn thất nhiệt do điện trở trong giảm và lượng nhiệt tỏa ra nhỏ. Hơn nữa, do thiết kế giảm công suất, khi nhiệt độ môi trường tăng lên, trong trường hợp hiệu suất của bộ phận bị suy giảm do biên độ, ngay cả khi hiệu suất bị suy giảm thì yêu cầu vẫn có thể được đáp ứng. Trong các điều kiện nhất định, khi nhiệt độ của các bộ phận trong mạch tăng lên trên nhiệt độ đảm bảo độ tin cậy, cần thực hiện các biện pháp tản nhiệt thích hợp để hạ nhiệt độ xuống phạm vi làm việc có độ tin cậy, đây là mục tiêu cuối cùng của thiết kế nhiệt.

Tản nhiệt là nội dung chính của thiết kế nhiệt PCB. Đối với PCB, có ba loại tản nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Dẫn nhiệt và đối lưu là phương tiện tản nhiệt chính. Cách tản nhiệt phổ biến là sử dụng tản nhiệt để dẫn nhiệt từ nguồn nhiệt và tản nhiệt bằng đối lưu không khí. Bức xạ là việc sử dụng sóng điện từ trong không gian để tản nhiệt, có lượng tản nhiệt nhỏ và thường được sử dụng như một phương tiện tản nhiệt phụ trợ.

Mục đích của thiết kế nhiệt PCB là thực hiện các biện pháp và phương pháp thích hợp để giảm nhiệt độ của các bộ phận và nhiệt độ PCB, để hệ thống hoạt động tốt ở nhiệt độ phù hợp. Từ góc độ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tản nhiệt, PCB tốt nhất nên được gắn thẳng đứng và khoảng cách giữa PCB và PCB thường không nhỏ hơn 2 cm.