Iz sveta PCB
Pri elektronski opremi se med delovanjem proizvaja določena količina toplote, zaradi česar se notranja temperatura opreme hitro dvigne. Če se toplota ne odvaja pravočasno, se bo oprema še naprej segrevala in zaradi pregrevanja bo odpovedala. Zanesljivost elektronske opreme in njena zmogljivost se bo zmanjšala.
Zato je zelo pomembno, da se na tiskanem vezju izvede dobra obdelava za odvajanje toplote. Odvajanje toplote tiskanega vezja je zelo pomembna povezava, zato si spodaj oglejmo, kakšna je tehnika odvajanja toplote tiskanega vezja.
01
Odvajanje toplote skozi samo tiskano vezje. Trenutno se pogosto uporabljajo tiskane vezje iz bakreno prevlečenih/epoksi steklenih vlaken ali iz fenolno-smolnih steklenih vlaken, majhna količina pa se uporablja tudi iz papirja, prevlečenih z bakrom.
Čeprav imajo ti substrati odlične električne lastnosti in obdelovalne lastnosti, imajo slabo odvajanje toplote. Pri metodi odvajanja toplote za komponente, ki se močno segrevajo, je skoraj nemogoče pričakovati, da bo toploto prevajala smola same tiskane vezja, temveč bo toploto odvajala s površine komponente v okoliški zrak.
Vendar pa, ko so elektronski izdelki vstopili v obdobje miniaturizacije komponent, visoke gostote montaže in sestavljanja z visokim segrevanjem, ni več dovolj, da se za odvajanje toplote zanašamo na površino komponente z zelo majhno površino.
Hkrati se zaradi široke uporabe površinsko montažnih komponent, kot sta QFP in BGA, toplota, ki jo ustvarjajo komponente, v veliki količini prenaša na tiskano vezje. Zato je najboljši način za rešitev problema odvajanja toplote izboljšanje zmogljivosti odvajanja toplote samega tiskanega vezja, ki je v neposrednem stiku z grelnim elementom, bodisi prevajano bodisi sevano.
Postavitev tiskanega vezja
Termoobčutljive naprave so nameščene v območju hladnega vetra.
Naprava za zaznavanje temperature je nameščena na najtoplejšem mestu.
Naprave na isti tiskani plošči morajo biti razporejene čim bolj glede na njihovo kalorično vrednost in stopnjo odvajanja toplote. Naprave z nizko kalorično vrednostjo ali slabo toplotno odpornostjo (kot so majhni signalni tranzistorji, majhna integrirana vezja, elektrolitski kondenzatorji itd.) morajo biti nameščene v hladilnem zračnem toku. Naprave z veliko toploto ali toplotno odpornostjo (kot so močnostni tranzistorji, velika integrirana vezja itd.) so nameščene najbolj za hladilnim zračnim tokom.
V vodoravni smeri so naprave z veliko močjo nameščene čim bližje robu tiskane plošče, da se skrajša pot prenosa toplote; v navpični smeri so naprave z veliko močjo nameščene čim bližje vrhu tiskane plošče, da se zmanjša vpliv teh naprav na temperaturo drugih naprav med njihovim delovanjem.
Odvajanje toplote tiskane plošče v opremi je v glavnem odvisno od pretoka zraka, zato je treba med načrtovanjem preučiti pot pretoka zraka in ustrezno konfigurirati napravo ali tiskano vezje.
Med načrtovanjem je pogosto težko doseči strogo enakomerno porazdelitev, vendar se je treba izogibati območjem s previsoko gostoto moči, da preprečimo vpliv vročih točk na normalno delovanje celotnega vezja.
Če je mogoče, je treba analizirati toplotno učinkovitost tiskanega vezja. Na primer, programski modul za analizo indeksa toplotne učinkovitosti, ki je dodan nekaterim profesionalnim programom za načrtovanje tiskanih vezij, lahko oblikovalcem pomaga pri optimizaciji zasnove vezja.
02
Komponente, ki oddajajo veliko toplote, ter radiatorji in toplotno prevodne plošče. Kadar majhno število komponent na tiskanem vezju oddaja veliko toplote (manj kot 3), se lahko komponentam, ki oddajajo toploto, doda hladilno telo ali toplotna cev. Če temperature ni mogoče znižati, se lahko za povečanje učinka odvajanja toplote uporabi radiator z ventilatorjem.
Kadar je število grelnih naprav veliko (več kot 3), se lahko uporabi velik pokrov (plošča) za odvajanje toplote, ki je poseben hladilnik, prilagojen glede na položaj in višino grelne naprave na tiskanem vezju, ali velik raven hladilnik. Izrežite različne višinske položaje komponent. Pokrov za odvajanje toplote je integrirano pritrjen na površino komponente in se dotika vsake komponente, da odvaja toploto.
Vendar pa učinek odvajanja toplote ni dober zaradi slabe doslednosti višine med montažo in varjenjem komponent. Običajno se na površino komponente doda mehka termična blazinica s fazno spremembo, da se izboljša učinek odvajanja toplote.
03
Za opremo, ki uporablja prosto konvekcijsko hlajenje zraka, je najbolje, da integrirana vezja (ali druge naprave) razporedite navpično ali vodoravno.
04
Za odvajanje toplote uporabite razumno zasnovo ožičenja. Ker ima smola v plošči slabo toplotno prevodnost, linije in luknje v bakreni foliji pa so dobri toplotni prevodniki, sta povečanje preostale količine bakrene folije in povečanje lukenj za prenos toplote glavni način odvajanja toplote. Za oceno zmogljivosti odvajanja toplote tiskanega vezja je treba izračunati ekvivalentno toplotno prevodnost (devet ekvivalentov) kompozitnega materiala, sestavljenega iz različnih materialov z različno toplotno prevodnostjo – izolacijskega substrata za tiskano vezje.
05
Naprave na isti tiskani plošči morajo biti razporejene čim bolj glede na njihovo kalorično vrednost in stopnjo odvajanja toplote. Naprave z nizko kalorično vrednostjo ali slabo toplotno odpornostjo (kot so tranzistorji z majhnimi signali, majhna integrirana vezja, elektrolitski kondenzatorji itd.) morajo biti nameščene v hladilnem zračnem toku. Naprave z veliko toploto ali toplotno odpornostjo (kot so močnostni tranzistorji, velika integrirana vezja itd.) so nameščene najbolj za hladilnim zračnim tokom.
06
V vodoravni smeri so visokozmogljive naprave razporejene čim bližje robu tiskane plošče, da se skrajša pot prenosa toplote; v navpični smeri so visokozmogljive naprave razporejene čim bližje vrhu tiskane plošče, da se zmanjša vpliv teh naprav na temperaturo drugih naprav.
07
Odvajanje toplote tiskane plošče v opremi je v glavnem odvisno od pretoka zraka, zato je treba med načrtovanjem preučiti pot pretoka zraka in ustrezno konfigurirati napravo ali tiskano vezje.
Ko zrak teče, vedno teži k pretoku na mestih z majhnim uporom, zato se pri konfiguriranju naprav na tiskanem vezju izogibajte velikemu zračnemu prostoru na določenem območju.
Konfiguracija več tiskanih vezij v celotnem stroju bi morala biti pozorna tudi na isto težavo.
08
Temperaturno občutljivo napravo je najbolje namestiti na območje z najnižjo temperaturo (na primer na dno naprave). Nikoli je ne postavljajte neposredno nad grelno napravo. Najbolje je, da več naprav razporedite po vodoravni ravnini.
09
Naprave z največjo porabo energije in oddajanjem toplote postavite blizu najboljšega mesta za odvajanje toplote. Naprav z visoko temperaturo ne postavljajte na vogale in robove tiskane plošče, razen če je v bližini nameščen hladilnik. Pri načrtovanju upornika izberite čim večjo napravo in pri prilagajanju postavitve tiskane plošče zagotovite dovolj prostora za odvajanje toplote.
10
Izogibajte se koncentraciji vročih točk na tiskanem vezju, čim bolj enakomerno porazdelite moč po tiskanem vezju in ohranite enakomerno in dosledno temperaturo površine tiskanega vezja.
Med načrtovanjem je pogosto težko doseči strogo enakomerno porazdelitev, vendar se je treba izogibati območjem s previsoko gostoto moči, da preprečimo vpliv vročih točk na normalno delovanje celotnega vezja.
Če je mogoče, je treba analizirati toplotno učinkovitost tiskanega vezja. Na primer, programski modul za analizo indeksa toplotne učinkovitosti, ki je dodan nekaterim profesionalnim programom za načrtovanje tiskanih vezij, lahko oblikovalcem pomaga pri optimizaciji zasnove vezja.