Oto 10 prostych i praktycznych metod odprowadzania ciepła z PCB

Z PCB World

W przypadku urządzeń elektronicznych, podczas pracy wytwarzana jest pewna ilość ciepła, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury wewnętrznej urządzenia. Jeśli ciepło nie zostanie odprowadzone na czas, urządzenie będzie się nadal nagrzewać, co doprowadzi do jego awarii z powodu przegrzania. Niezawodność i wydajność urządzeń elektronicznych ulegną pogorszeniu.

Dlatego bardzo ważne jest zapewnienie prawidłowego odprowadzania ciepła na płytce drukowanej. Odprowadzanie ciepła na płytce PCB jest bardzo ważnym ogniwem, dlatego omówimy poniżej technikę odprowadzania ciepła na płytce PCB.

01
Rozpraszanie ciepła przez samą płytkę PCB Obecnie powszechnie stosuje się płytki PCB na podłożach z miedzi i włókna szklanego pokrytego żywicą epoksydową lub na podłożach z włókna szklanego na bazie żywicy fenolowej, a także w niewielkiej ilości płytki z miedzią pokrytą papierem.

Chociaż te podłoża charakteryzują się doskonałymi właściwościami elektrycznymi i przetwórczymi, charakteryzują się słabym odprowadzaniem ciepła. W przypadku metod odprowadzania ciepła z elementów o wysokiej temperaturze, praktycznie niemożliwe jest oczekiwanie, że ciepło będzie przewodzone przez żywicę PCB, a nie odprowadzane z powierzchni elementu do otaczającego powietrza.

Jednak wraz z tym, jak produkty elektroniczne wkroczyły w erę miniaturyzacji komponentów, montażu o dużej gęstości i montażu generującego wysokie temperatury, nie wystarczy już powierzchnia komponentu o bardzo małej powierzchni do rozpraszania ciepła.

Jednocześnie, ze względu na powszechne stosowanie elementów montowanych powierzchniowo, takich jak QFP i BGA, ciepło generowane przez te elementy jest przenoszone na płytkę PCB w dużej ilości. Dlatego najlepszym sposobem rozwiązania problemu odprowadzania ciepła jest poprawa zdolności odprowadzania ciepła samej płytki PCB, która ma bezpośredni kontakt z elementem grzejnym – przewodzonym lub promieniującym.

Układ PCB
Urządzenia wrażliwe na temperaturę umieszczane są w strefie zimnego wiatru.

Urządzenie do pomiaru temperatury umieszczone jest w najgorętszym miejscu.

Urządzenia na tej samej płytce drukowanej powinny być rozmieszczone w miarę możliwości zgodnie z ich wartością opałową i stopniem odprowadzania ciepła. Urządzenia o niskiej wartości opałowej lub niskiej odporności cieplnej (takie jak tranzystory sygnałowe małej mocy, układy scalone małej skali, kondensatory elektrolityczne itp.) powinny być umieszczone w strumieniu powietrza chłodzącego. Urządzenia o dużej odporności cieplnej (takie jak tranzystory mocy, układy scalone dużej skali itp.) powinny być umieszczone najdalej od strumienia powietrza chłodzącego, w górnym strumieniu (na wlocie).

W kierunku poziomym urządzenia dużej mocy umieszczane są jak najbliżej krawędzi płytki drukowanej, aby skrócić drogę wymiany ciepła; w kierunku pionowym urządzenia dużej mocy umieszczane są jak najbliżej górnej części płytki drukowanej, aby zmniejszyć wpływ tych urządzeń na temperaturę innych urządzeń podczas ich pracy.

Rozpraszanie ciepła na płytce drukowanej w urządzeniu odbywa się głównie za pośrednictwem przepływu powietrza, dlatego na etapie projektowania należy uwzględnić ścieżkę przepływu powietrza, a samo urządzenie lub płytka drukowana powinny być odpowiednio skonfigurowane.

Często trudno jest osiągnąć równomierny rozkład mocy w procesie projektowania, należy jednak unikać obszarów o zbyt dużej gęstości mocy, aby zapobiec wpływowi gorących punktów na normalną pracę całego obwodu.

Jeśli to możliwe, należy przeanalizować sprawność cieplną obwodu drukowanego. Na przykład, moduł analizy wskaźnika sprawności cieplnej dodany do niektórych profesjonalnych programów do projektowania PCB może pomóc projektantom zoptymalizować projekt obwodu.

02
Elementy generujące dużo ciepła, a także radiatory i płytki przewodzące ciepło. Gdy niewielka liczba elementów na płytce PCB generuje dużą ilość ciepła (mniej niż 3), można dodać do nich radiator lub rurkę cieplną. Gdy temperatury nie można obniżyć, można zastosować radiator z wentylatorem, aby poprawić efekt odprowadzania ciepła.

W przypadku dużej liczby elementów grzejnych (powyżej 3) można zastosować dużą osłonę rozpraszającą ciepło (płytkę), czyli specjalny radiator dostosowany do położenia i wysokości elementu grzejnego na płytce PCB lub duży, płaski radiator. Wytnij elementy o różnych wysokościach. Osłona rozpraszająca ciepło jest integralnie przymocowana do powierzchni elementu i styka się z każdym elementem, aby rozproszyć ciepło.

Jednak efekt rozpraszania ciepła nie jest dobry ze względu na słabą spójność wysokości podczas montażu i spawania komponentów. Zazwyczaj na powierzchnię komponentu dodaje się miękką, termiczną podkładkę zmiennofazową, aby poprawić efekt rozpraszania ciepła.

03
W przypadku urządzeń wykorzystujących chłodzenie powietrzem z konwekcją swobodną, najlepiej jest rozmieścić układy scalone (lub inne urządzenia) pionowo lub poziomo.

04
Należy zastosować rozsądny projekt okablowania, aby zapewnić odprowadzanie ciepła. Ponieważ żywica w płytce ma słabą przewodność cieplną, a linie i otwory folii miedzianej dobrze przewodzą ciepło, zwiększenie pozostałej grubości folii miedzianej i zwiększenie liczby otworów przewodzących ciepło to główne sposoby odprowadzania ciepła. Aby ocenić zdolność rozpraszania ciepła płytki PCB, konieczne jest obliczenie równoważnego przewodnictwa cieplnego (dziewięć ekwiwalentów) materiału kompozytowego złożonego z różnych materiałów o różnej przewodności cieplnej – podłoża izolacyjnego płytki PCB.

05
Urządzenia na tej samej płytce drukowanej powinny być rozmieszczone w miarę możliwości zgodnie z ich wartością opałową i stopniem odprowadzania ciepła. Urządzenia o niskiej wartości opałowej lub niskiej odporności cieplnej (takie jak tranzystory małosygnałowe, układy scalone małej skali, kondensatory elektrolityczne itp.) powinny być umieszczone w strumieniu powietrza chłodzącego. Urządzenia o dużej odporności cieplnej (takie jak tranzystory mocy, układy scalone dużej skali itp.) powinny być umieszczone najdalej od strumienia powietrza chłodzącego, w górnym strumieniu (na wlocie).

06
W kierunku poziomym urządzenia dużej mocy są rozmieszczone jak najbliżej krawędzi płytki drukowanej, aby skrócić drogę wymiany ciepła; w kierunku pionowym urządzenia dużej mocy są rozmieszczone jak najbliżej górnej części płytki drukowanej, aby ograniczyć wpływ tych urządzeń na temperaturę innych urządzeń.

07
Rozpraszanie ciepła na płytce drukowanej w urządzeniu odbywa się głównie za pośrednictwem przepływu powietrza, dlatego na etapie projektowania należy uwzględnić ścieżkę przepływu powietrza, a samo urządzenie lub płytka drukowana powinny być odpowiednio skonfigurowane.

Kiedy powietrze przepływa, zawsze ma tendencję do przepływu w miejscach o niskim oporze, dlatego konfigurując urządzenia na płytce drukowanej, należy unikać pozostawiania dużej przestrzeni powietrznej w określonym obszarze.

Konfiguracja wielu płytek drukowanych w całej maszynie również powinna uwzględniać ten sam problem.

08
Urządzenie wrażliwe na temperaturę najlepiej umieścić w miejscu o najniższej temperaturze (np. na spodzie urządzenia). Nigdy nie umieszczaj go bezpośrednio nad urządzeniem grzewczym. Najlepiej rozmieścić kilka urządzeń naprzemiennie w płaszczyźnie poziomej.

09
Urządzenia o największym poborze mocy i wytwarzaniu ciepła należy umieszczać w miejscu zapewniającym najlepsze odprowadzanie ciepła. Nie należy umieszczać urządzeń generujących wysokie temperatury na rogach i krawędziach płytki drukowanej, chyba że w ich pobliżu znajduje się radiator. Projektując rezystor mocy, należy wybrać urządzenie o jak największej mocy i zapewnić mu wystarczająco dużo miejsca na odprowadzanie ciepła podczas dostosowywania układu płytki drukowanej.

10
Unikaj koncentracji gorących punktów na płytce PCB, rozprowadzaj moc równomiernie na całej powierzchni płytki PCB i utrzymuj jednolitą i spójną temperaturę powierzchni płytki PCB.