Analisis termal PCB dan teknik desain termal

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co, Ltd (SCitec) adalah perusahaan teknologi tinggi yang mengkhususkan diri dalam produksi dan penjualan aksesoris ponsel. Produk utama kami meliputi pengisi daya perjalanan, pengisi daya mobil, kabel USB, bank daya, dan produk digital lainnya. Semua produk aman dan andal, dengan gaya unik. Produk lulus sertifikat seperti CE,FCC,ROHS,UL,PSE,C-Tick, dll. , Jika anda berminat bisa langsung menghubungi ceo@schitec.com.

Tetap Mengisi Daya dengan Aman dengan SChitec

Analisis termal PCB dan teknik desain termal

1. Sumber panas PCB

Selain pekerjaan yang bermanfaat, sebagian daya yang dikonsumsi oleh adaptor daya selama pengoperasian diubah menjadi panas. Panas yang dihasilkan oleh adaptor daya menyebabkan suhu internal meningkat dengan cepat. Jika panas tidak hilang tepat waktu, suhu akan terus meningkat, komponen akan rusak karena panas berlebih, dan keandalan adaptor daya akan menurun. SMT meningkatkan kepadatan pemasangan komponen adaptor daya, mengurangi area pembuangan panas efektif, dan kenaikan suhu adaptor daya sangat mempengaruhi keandalan. Oleh karena itu, penelitian tentang desain termal PCB adaptor daya sangatlah penting. Penyebab langsung kenaikan suhu PCB adaptor daya adalah karena adanya komponen daya rangkaian, komponen elektronik memiliki tingkat konsumsi daya yang berbeda, dan intensitas panas bervariasi sesuai konsumsi daya. Dua fenomena kenaikan suhu pada PCB adalah: 1 kenaikan suhu lokal atau kenaikan suhu area yang luas; 2 kenaikan suhu dalam waktu singkat atau kenaikan suhu dalam waktu lama.

Ada tiga sumber panas utama pada PCB adaptor daya: panas komponen elektronik, panas PCB itu sendiri, dan panas dari bagian lain. Di antara ketiga sumber panas tersebut, komponen menghasilkan panas paling besar, yaitu sumber panas utama, disusul panas yang dihasilkan oleh PCB. Masukan panas eksternal bergantung pada desain termal keseluruhan adaptor daya.

Pembangkitan panas suatu komponen ditentukan oleh konsumsi dayanya. Oleh karena itu, komponen dengan konsumsi daya rendah harus dipilih terlebih dahulu dalam desain untuk meminimalkan timbulnya panas. Yang kedua adalah pengaturan titik kerja komponen. Umumnya, ini harus dipilih dalam rentang kerja terukurnya. Saat bekerja dalam rentang ini, performanya bagus, konsumsi dayanya kecil, dan masa pakainya lama. Perangkat listrik itu sendiri menghasilkan panas dalam jumlah besar, dan harus dirancang untuk menghindari pengoperasian beban penuh. Untuk perangkat berdaya tinggi, prinsip desain penurunan daya harus diterapkan, dan kekayaan desain harus ditingkatkan secara tepat, yang bermanfaat untuk meningkatkan stabilitas, keandalan, dan pembangkitan panas adaptor daya.

PCB terdiri dari konduktor tembaga dan bahan dielektrik isolasi, dan secara umum bahan dielektrik isolasi dianggap tidak menghasilkan panas. Konduktor tembaga mempunyai hambatan akibat tembaga itu sendiri. Ketika arus lewat, maka akan menghasilkan panas. Ketika arus kecil mA (miliampere) dan μA (mikroampere) dilewatkan, masalah pemanasan dapat diabaikan, tetapi ketika arusnya tinggi (100 mA atau lebih) Saat Anda melewatinya, Anda tidak dapat mengabaikannya. Perlu dicatat bahwa ketika suhu konduktor tembaga naik hingga 85 derajat C, bahan isolasi itu sendiri mulai menguning, arus terus mengalir, dan akhirnya konduktor tembaga putus. Secara khusus, konduktor tembaga di lapisan dalam PCB multilayer dikelilingi oleh resin yang memiliki konduktivitas panas yang buruk, dan pembuangan panas sulit dilakukan, sehingga suhu pasti naik, jadi perhatian khusus harus diberikan pada desain lebar garis tembaga. konduktor. Faktanya, saat mendesain tata letak PCB, lebar jejak terutama ditentukan oleh pembangkitan panas dan lingkungan pembuangan panas. Luas penampang konduktor tembaga menentukan resistansi kawat (kehilangan sinyal yang disebabkan oleh resistansi saluran dalam rangkaian digital dapat diabaikan), dan konduktivitas termal konduktor tembaga dan substrat isolasi mempengaruhi kenaikan suhu, yang pada gilirannya menentukan daya dukung saat ini. Misalnya, luas penampang konduktor tembaga adalah konstan. Ketika nilai arus yang diijinkan adalah 2A dan nilai kenaikan suhu lebih rendah dari 10 derajat C, lebar garis harus dirancang sebesar 2 mm untuk foil tembaga 35 μm dan 1 mm untuk foil tembaga 70 μm. . Dapat disimpulkan bahwa ketika luas penampang, nilai kenaikan arus dan suhu yang diijinkan dari konduktor tembaga adalah konstan, persyaratan pembuangan panas dapat dipenuhi dari dua aspek yaitu peningkatan ketebalan kertas tembaga atau peningkatan lebar garis konduktor tembaga. konduktor tembaga.

2. Analisis termal sirkuit

Analisis termal rangkaian dibagi menjadi tiga langkah: pertama memperkirakan panas yang dihasilkan pada komponen, kemudian memperkirakan panas yang dipancarkan oleh PCB atau heat sink, dan terakhir memperkirakan suhu lingkungan di mana komponen akan beroperasi. PCB atau heat sink akan menghilangkan panas komponen secara konveksi, konduksi atau radiasi. Pembuangan panas konduktif terutama melalui konduksi panas rangka timah logam chip perangkat daya dan foil tembaga pada PCB. Setelah foil tembaga PCB atau heat sink diskrit menghantarkan panas, ia menyediakan luas permukaan yang cukup besar untuk pembuangan panas konvektif guna menghilangkan panas ke udara.

Ada juga beberapa kesulitan dalam pembuangan panas konveksi. Pada suhu tinggi, ketahanan termal meningkat. Oleh karena itu, ketahanan termal digunakan sebagai parameter analisis termal. Jika resistansi termal Rja dari sambungan ke luar diberikan dalam data komponen, nilai tersebut menunjukkan kenaikan suhu ketika komponen tidak dihubungkan ke unit pendingin atau tidak disolder ke PCB. Resistansi termal utama dalam desain termal adalah resistansi termal Rjb dari chip ke PCB dan resistansi termal Rjc dari chip ke permukaan paket. Rja dapat diukur dengan dua PCB standar JEDEC, satu untuk PCB satu sisi dan yang lainnya untuk PCB multilayer. Jika Anda memiliki spesifikasi Rjb dan Rjc, Anda dapat memperkirakan kenaikan suhu sebenarnya dari komponen tersebut. Saat mengukur Rja, tidak ada chip lain di PCB. Ketika terdapat catu daya dan chip pembuangan panas lainnya di sekitar komponen, dan ketika PCB berada dalam wadah plastik tanpa kipas dengan ruang terbatas, kenaikan suhu sebenarnya akan lebih tinggi daripada pengukuran Rja. Nilainya karena permukaan atas kemasan plastik dari sebagian besar komponen hampir tidak mentransmisikan panas. Konduktivitas termal resin epoksi adalah 0.6 ~ 1W / (m · K) (watt per meter Kelvin), sedangkan konduktivitas termal tembaga adalah 400W / (m · K). Oleh karena itu, konduktivitas termal tembaga 400 hingga 600 kali lebih tinggi dibandingkan plastik.

Langkah terakhir dalam analisis termal adalah memperkirakan suhu lingkungan, dan ini penting. Misalnya, suhu udara laboratorium adalah 25 derajat C dan chip di bangku bekerja pada suhu 50 derajat C. Ketika chip ini ditempatkan pada suhu sekitar 50 derajat C, suhu chip akan mencapai 75 derajat C. Namun , dalam memperkirakan langkah suhu sekitar, terkadang tidak mungkin untuk menentukan kondisi lingkungan di mana komponen dapat bekerja.

Saat menganalisis konsumsi daya termal PCB, umumnya dianalisis dari aspek berikut.

(1) Konsumsi daya listrik, yaitu konsumsi daya per satuan luas PCB dan konsumsi daya pada PCB.

(2) Struktur PCB, yaitu ukuran dan bahan PCB.

(3) Metode pemasangan PCB (seperti pemasangan vertikal, pemasangan horizontal), kondisi penyegelan dan jarak dari rumahan.

(4) Radiasi termal, yaitu emisivitas permukaan PCB, perbedaan suhu antara PCB dan permukaan yang berdekatan, serta suhu absolutnya.

(5) Konduksi panas, yaitu konduksi radiator dan komponen struktur pemasangan lainnya.

(6) Konveksi termal, yaitu konveksi alami dan konveksi pendinginan paksa.

Analisis faktor-faktor di atas merupakan cara yang efektif untuk mengatasi kenaikan suhu PCB. Seringkali dalam suatu produk dan sistem, faktor-faktor ini saling terkait dan bergantung. Sebagian besar faktor harus dianalisis sesuai dengan situasi aktual. Hanya untuk situasi aktual tertentu parameter seperti kenaikan suhu dan konsumsi daya dapat dihitung atau diperkirakan dengan benar.

3. Persyaratan dasar untuk desain termal PCB

Saat mendesain PCB, terutama untuk desain PCB pemasangan permukaan, masalah pencocokan koefisien muai panas material harus dipertimbangkan terlebih dahulu. Ada tiga jenis substrat kemasan untuk komponen: substrat kemasan organik kaku, substrat kemasan organik fleksibel, dan substrat kemasan keramik. Substrat dikemas dengan empat metode: teknologi pencetakan, teknologi keramik cetakan, teknologi keramik laminasi, dan plastik laminasi. Bahan yang digunakan untuk substrat terutama adalah resin epoksi suhu tinggi, resin BT, polimida, keramik, dan kaca tahan api. Bahan-bahan ini memiliki ketahanan suhu tinggi dan koefisien muai panas yang rendah pada arah X dan Y. Saat memilih bahan PCB, Anda harus memahami bentuk kemasan komponen dan bahan substrat, serta mempertimbangkan kisaran variasi suhu dari proses penyolderan komponen. Pilih substrat dengan koefisien muai panas agar sesuai dengan tegangan termal yang disebabkan oleh perbedaan koefisien muai panas material. .

Banyak komponen menggunakan substrat paket keramik, koefisien muai panasnya biasanya (5 ~ 7) × 10-6 / derajat C, koefisien muai panas dari pembawa chip keramik tanpa timbal LCCC adalah (3,5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / derajat . Beberapa substrat komponen menggunakan bahan yang sama dengan beberapa substrat PCB, seperti PI, BT, dan epoksi tahan panas. Saat memilih substrat PCB, koefisien muai panas substrat harus dianggap sedekat mungkin dengan koefisien muai panas bahan substrat komponen.

Konduktor PCB mengalami kenaikan suhu karena arus yang lewat, dan suhu sekitar tidak boleh melebihi 125 derajat C (nilai tipikal umum terjadi, tergantung pada media yang dipilih). Karena komponen dipasang pada PCB dan juga mengeluarkan sebagian panas yang mempengaruhi suhu pengoperasian PCB, faktor-faktor ini harus dipertimbangkan ketika memilih bahan PCB dan desain PCB. Suhu titik panas tidak boleh melebihi 125 derajat. Substrat PCB harus dipilih dengan foil tembaga yang lebih tebal sebanyak mungkin. Dalam kasus khusus, substrat dengan ketahanan termal kecil seperti dasar aluminium atau dasar keramik dapat dipilih, dan struktur multilayer juga berkontribusi pada desain termal PCB.

Substrat PCB yang banyak digunakan saat ini adalah substrat kain kaca epoksi berlapis tembaga atau substrat kain kaca resin fenolik, dan sejumlah kecil substrat berlapis tembaga berbahan dasar kertas. Meskipun substrat ini memiliki sifat listrik dan sifat pemrosesan yang sangat baik, namun pembuangan panasnya buruk. Sebagai alat pembuangan panas untuk komponen yang menghasilkan panas tinggi, hampir tidak diharapkan untuk menghantarkan panas dari resin PCB itu sendiri, tetapi untuk membuang panas dari permukaan komponen ke udara sekitar. Namun, ketika produk elektronik memasuki era miniaturisasi, pemasangan dengan kepadatan tinggi, dan perakitan dengan panas tinggi, menghilangkan panas hanya dengan luas permukaan komponen yang sangat kecil saja tidak cukup. Pada saat yang sama, karena banyaknya komponen pemasangan permukaan seperti QFP dan BGA, panas yang dihasilkan oleh komponen tersebut ditransfer ke PCB dalam jumlah besar. Oleh karena itu, cara terbaik untuk mengatasi pembuangan panas adalah dengan meningkatkan kemampuan pembuangan panas dari PCB itu sendiri yang bersentuhan langsung dengan komponen penghasil panas. PCB dialirkan atau dipancarkan.

4. Desain termal PCB

Ada tiga ukuran dalam desain termal PCB: pengurangan daya, pembuangan panas, dan tata letak. Pengurangan panas bukan untuk menghasilkan panas; pembuangan panas adalah menghantarkan atau menghilangkan panas, yang tidak mempengaruhi komponen; tata letaknya adalah jika panas tidak hilang, komponen yang peka terhadap panas dapat diisolasi dengan tata letak. Mengurangi konsumsi adalah solusi paling mendasar. Ada dua pendekatan utama dalam desain derating dan berdaya rendah, namun keduanya perlu dianalisis dalam kombinasi dengan desain spesifik. Saat memilih komponen, coba gunakan komponen dengan pembangkitan panas kecil, seperti resistor chip, resistor wirewound (lebih sedikit resistor film karbon), kapasitor monolitik, kapasitor tantalum (lebih sedikit kapasitor kertas), MOS, rangkaian CMOS (lebih jarang digunakan) 锗 tabung), perangkat pemasangan di permukaan, dll. Selain memilih komponen berdaya rendah, kompensasi suhu dan kontrol beberapa komponen khusus yang sensitif terhadap suhu juga merupakan salah satu solusinya.

Penurunan konsumsi perlu mempertimbangkan cara mengurangi konsumsi. Misalkan sebuah kawat tipis secara nominal mampu mengalirkan arus 10A. Arus menghasilkan lebih banyak panas di atasnya, dan kawat menebal untuk meningkatkan margin. Secara nominal melewati 20A. Ketika arus dilewatkan melalui 10A, kehilangan panas karena hambatan internal berkurang dan panasnya kecil. Selain itu, karena desain penurunan daya, ketika suhu sekitar meningkat, jika kinerja komponen menurun, karena margin, meskipun kinerja menurun, persyaratan dapat dipenuhi. Dalam kondisi tertentu, ketika suhu komponen dalam rangkaian naik di atas suhu yang dijamin keandalannya, tindakan pembuangan panas yang tepat harus diambil untuk menurunkan suhu ke kisaran kerja keandalan, yang merupakan tujuan akhir dari desain termal.

Pembuangan panas adalah konten utama desain termal PCB. Untuk PCB, ada tiga tipe dasar pembuangan panas: konduksi termal, konveksi, dan radiasi. Konduksi dan konveksi termal adalah cara utama pembuangan panas. Cara umum untuk menghilangkan panas adalah dengan menggunakan heat sink untuk menghantarkan panas dari sumber panas dan membuangnya melalui konveksi udara. Radiasi adalah penggunaan gelombang elektromagnetik di ruang angkasa untuk menghilangkan panas, yang memiliki jumlah pembuangan panas yang kecil, dan biasanya digunakan sebagai alat bantu pembuangan panas.

Tujuan dari desain termal PCB adalah untuk mengambil tindakan dan metode yang tepat untuk menurunkan suhu komponen dan suhu PCB, sehingga sistem bekerja dengan baik pada suhu yang tepat. Dari sudut pandang memfasilitasi pembuangan panas, sebaiknya PCB dipasang tegak, dan jarak antara PCB dan PCB umumnya tidak kurang dari 2 cm.