من PCB World
في الأجهزة الإلكترونية، تتولد كمية معينة من الحرارة أثناء التشغيل، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الداخلية بسرعة. إذا لم تُبدد الحرارة في الوقت المناسب، سيستمر ارتفاع درجة حرارة الجهاز، مما يؤدي إلى تعطله بسبب ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤثر سلبًا على موثوقية أداء الجهاز.
لذلك، من الضروري جدًا إجراء معالجة جيدة لتبديد الحرارة على لوحة الدوائر المطبوعة. يُعد تبديد الحرارة في لوحة الدوائر المطبوعة حلقة وصل بالغة الأهمية، لذا دعونا نناقش تقنية تبديد الحرارة في لوحة الدوائر المطبوعة معًا أدناه.
01
تبديد الحرارة من خلال لوحة PCB نفسها إن لوحات PCB المستخدمة على نطاق واسع حاليًا هي عبارة عن ركائز من القماش الزجاجي المغطى بالنحاس/الإيبوكسي أو ركائز القماش الزجاجي المغطى بالراتنج الفينولي، ويتم استخدام كمية صغيرة من الألواح المكسوة بالنحاس القائمة على الورق.
على الرغم من أن هذه الركائز تتميز بخصائص كهربائية ومعالجة ممتازة، إلا أن تبديد الحرارة فيها ضعيف. كطريقة لتبديد الحرارة للمكونات عالية الحرارة، يكاد يكون من المستحيل توقع انتقال الحرارة عبر راتنج لوحة الدوائر المطبوعة نفسها، بل تبديد الحرارة من سطح المكون إلى الهواء المحيط.
ومع ذلك، مع دخول المنتجات الإلكترونية عصر تصغير المكونات، والتركيب عالي الكثافة، والتجميع عالي التسخين، لم يعد الاعتماد على سطح مكون بمساحة سطح صغيرة جدًا لتبديد الحرارة كافيًا.
في الوقت نفسه، وبسبب الاستخدام المكثف لمكونات التركيب السطحي مثل QFP وBGA، تنتقل الحرارة الناتجة عن هذه المكونات إلى لوحة الدوائر المطبوعة بكميات كبيرة. لذلك، فإن أفضل طريقة لحل مشكلة تبديد الحرارة هي تحسين قدرة تبديد الحرارة للوحة الدوائر المطبوعة نفسها، التي تكون على تماس مباشر مع عنصر التسخين، سواءً موصلة أو مشعة.
تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة
يتم وضع الأجهزة الحساسة للحرارة في منطقة الرياح الباردة.
يتم وضع جهاز الكشف عن درجة الحرارة في الوضع الأكثر سخونة.
يجب ترتيب الأجهزة على اللوحة المطبوعة نفسها قدر الإمكان وفقًا لقيمتها الحرارية ودرجة تبديدها الحراري. توضع الأجهزة ذات القيمة الحرارية المنخفضة أو المقاومة الحرارية الضعيفة (مثل ترانزستورات الإشارة الصغيرة، والدوائر المتكاملة صغيرة الحجم، والمكثفات الإلكتروليتية، إلخ) في مجرى هواء التبريد. أما التدفق العلوي (عند المدخل)، فتوضع الأجهزة ذات الحرارة العالية أو المقاومة الحرارية العالية (مثل ترانزستورات الطاقة، والدوائر المتكاملة كبيرة الحجم، إلخ) في أقصى اتجاه مجرى هواء التبريد.
في الاتجاه الأفقي، يتم وضع الأجهزة ذات الطاقة العالية بالقرب من حافة اللوحة المطبوعة قدر الإمكان لتقصير مسار نقل الحرارة؛ وفي الاتجاه الرأسي، يتم وضع الأجهزة ذات الطاقة العالية بالقرب من الجزء العلوي من اللوحة المطبوعة قدر الإمكان لتقليل تأثير هذه الأجهزة على درجة حرارة الأجهزة الأخرى عند عملها.
تعتمد عملية تبديد الحرارة للوحة المطبوعة في المعدات بشكل أساسي على تدفق الهواء، لذا يجب دراسة مسار تدفق الهواء أثناء التصميم، ويجب تكوين الجهاز أو لوحة الدائرة المطبوعة بشكل معقول.
غالبًا ما يكون من الصعب تحقيق توزيع موحد صارم أثناء عملية التصميم، ولكن يجب تجنب المناطق ذات كثافة الطاقة العالية جدًا لمنع النقاط الساخنة من التأثير على التشغيل الطبيعي للدائرة بأكملها.
إذا أمكن، من الضروري تحليل الكفاءة الحرارية للدائرة المطبوعة. على سبيل المثال، يمكن لوحدة تحليل مؤشر الكفاءة الحرارية المُضافة في بعض برامج تصميم لوحات الدوائر المطبوعة الاحترافية أن تساعد المصممين على تحسين تصميم الدائرة.
02
مكونات عالية توليد الحرارة، بالإضافة إلى مشعات وألواح موصلة للحرارة. عندما يُولّد عدد قليل من مكونات لوحة الدوائر المطبوعة كمية كبيرة من الحرارة (أقل من 3)، يُمكن إضافة مشتت حراري أو أنبوب حراري إلى المكونات المولدة للحرارة. عندما لا يُمكن خفض درجة الحرارة، يُمكن استخدام مشتت حراري مزود بمروحة لتعزيز تأثير تبديد الحرارة.
عندما يكون عدد أجهزة التسخين كبيرًا (أكثر من 3)، يمكن استخدام غطاء تبديد الحرارة الكبير (اللوحة)، وهو عبارة عن مشتت حراري خاص مُخصص وفقًا لموضع وارتفاع جهاز التسخين على لوحة الدوائر المطبوعة، أو مشتت حراري مسطح كبير، مع قطع مواضع ارتفاع مختلفة للمكونات. يتم تثبيت غطاء تبديد الحرارة بشكل متكامل على سطح المكون، ويتلامس مع كل مكون لتبديد الحرارة.
ومع ذلك، نظرًا لضعف اتساق الارتفاع أثناء تجميع ولحام المكونات، فإن تأثير تبديد الحرارة ليس جيدًا. عادةً، تُضاف وسادة حرارية ناعمة لتغيير الطور الحراري على سطح المكون لتحسين تأثير تبديد الحرارة.
03
بالنسبة للمعدات التي تعتمد على تبريد الهواء بالحمل الحراري الحر، من الأفضل ترتيب الدوائر المتكاملة (أو الأجهزة الأخرى) عموديا أو أفقيا.
04
يجب اعتماد تصميم أسلاك مناسب لتحقيق تبديد الحرارة. نظرًا لضعف موصلية الراتنج في الصفيحة الحرارية، وكون خطوط وثقوب رقائق النحاس موصلات حرارية جيدة، فإن زيادة معدل تبديد الحرارة المتبقي في رقائق النحاس وزيادة ثقوب التوصيل الحراري هما الوسيلة الرئيسية لتبديد الحرارة. لتقييم قدرة تبديد الحرارة للوحة الدوائر المطبوعة، من الضروري حساب الموصلية الحرارية المكافئة (تسعة مكافئات) للمادة المركبة المكونة من مواد مختلفة الموصلية الحرارية - وهي الركيزة العازلة للوحة الدوائر المطبوعة.
05
يجب ترتيب الأجهزة على اللوحة المطبوعة نفسها قدر الإمكان وفقًا لقيمتها الحرارية ودرجة تبديدها الحراري. توضع الأجهزة ذات القيمة الحرارية المنخفضة أو مقاومة الحرارة الضعيفة (مثل ترانزستورات الإشارة الصغيرة، والدوائر المتكاملة صغيرة الحجم، والمكثفات الإلكتروليتية، إلخ) في مجرى هواء التبريد. أما التدفق العلوي (عند المدخل)، فتوضع الأجهزة ذات الحرارة العالية أو مقاومة الحرارة العالية (مثل ترانزستورات الطاقة، والدوائر المتكاملة كبيرة الحجم، إلخ) في أقصى اتجاه مجرى هواء التبريد.
06
في الاتجاه الأفقي، يتم ترتيب الأجهزة ذات الطاقة العالية بالقرب من حافة اللوحة المطبوعة قدر الإمكان لتقصير مسار نقل الحرارة؛ في الاتجاه الرأسي، يتم ترتيب الأجهزة ذات الطاقة العالية بالقرب من الجزء العلوي من اللوحة المطبوعة لتقليل تأثير هذه الأجهزة على درجة حرارة الأجهزة الأخرى.
07
تعتمد عملية تبديد الحرارة للوحة المطبوعة في المعدات بشكل أساسي على تدفق الهواء، لذا يجب دراسة مسار تدفق الهواء أثناء التصميم، ويجب تكوين الجهاز أو لوحة الدائرة المطبوعة بشكل معقول.
عندما يتدفق الهواء، فإنه يميل دائمًا إلى التدفق في الأماكن ذات المقاومة المنخفضة، لذلك عند تكوين الأجهزة على لوحة الدوائر المطبوعة، تجنب ترك مساحة هوائية كبيرة في منطقة معينة.
ينبغي أيضًا الانتباه إلى نفس المشكلة عند تكوين لوحات الدوائر المطبوعة المتعددة في الجهاز بأكمله.
08
يُفضّل وضع الجهاز الحساس للحرارة في أدنى منطقة حرارة (مثل أسفل الجهاز). لا تضعه أبدًا فوق جهاز التسخين مباشرةً. يُفضّل توزيع الأجهزة المتعددة على مستوى أفقي.
09
ضع الأجهزة ذات أعلى استهلاك للطاقة وتوليد حرارة بالقرب من أفضل موضع لتبديد الحرارة. لا تضع الأجهزة عالية الحرارة على زوايا وحواف اللوحة المطبوعة، إلا إذا وُضع مشتت حراري بالقرب منها. عند تصميم مقاوم الطاقة، اختر جهازًا أكبر حجمًا قدر الإمكان، وتأكد من وجود مساحة كافية لتبديد الحرارة عند تعديل تصميم اللوحة المطبوعة.
10
تجنب تركيز النقاط الساخنة على لوحة الدوائر المطبوعة، وقم بتوزيع الطاقة بالتساوي على لوحة الدوائر المطبوعة قدر الإمكان، والحفاظ على أداء درجة حرارة سطح لوحة الدوائر المطبوعة موحدًا ومتسقًا.
غالبًا ما يكون من الصعب تحقيق توزيع موحد صارم أثناء عملية التصميم، ولكن يجب تجنب المناطق ذات كثافة الطاقة العالية جدًا لمنع النقاط الساخنة من التأثير على التشغيل الطبيعي للدائرة بأكملها.
إذا أمكن، من الضروري تحليل الكفاءة الحرارية للدائرة المطبوعة. على سبيل المثال، يمكن لوحدة تحليل مؤشر الكفاءة الحرارية المُضافة في بعض برامج تصميم لوحات الدوائر المطبوعة الاحترافية أن تساعد المصممين على تحسين تصميم الدائرة.