ความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระหว่างการทำงานทำให้อุณหภูมิภายในอุปกรณ์เพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว หากไม่สามารถระบายความร้อนได้ทันเวลา อุปกรณ์จะยังคงร้อนขึ้นอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์จะเสียหายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไป และความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะลดลง ดังนั้นการระบายความร้อนไปยังแผงวงจรจึงมีความสำคัญมาก

การวิเคราะห์ปัจจัยการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของแผงวงจรพิมพ์

สาเหตุโดยตรงของการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของแผงวงจรพิมพ์เกิดจากการมีอุปกรณ์กินไฟของวงจร และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มีอัตราการใช้พลังงานที่แตกต่างกัน และความเข้มของความร้อนก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามการใช้พลังงาน

ปรากฏการณ์อุณหภูมิที่สูงขึ้นในแผ่นพิมพ์มี 2 ประการ คือ
(1) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในพื้นที่หรืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในพื้นที่ขนาดใหญ่
(2) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในระยะสั้นหรือการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในระยะยาว

เมื่อวิเคราะห์การใช้พลังงานความร้อนของ PCB โดยทั่วไปจะมาจากประเด็นต่อไปนี้

การใช้พลังงานไฟฟ้า
(1) วิเคราะห์การใช้พลังงานต่อหน่วยพื้นที่;
(2) วิเคราะห์การกระจายการใช้พลังงานบนแผงวงจร PCB

2.โครงสร้างของบอร์ดพิมพ์
(1) ขนาดของกระดานที่พิมพ์;
(2) วัสดุของกระดานพิมพ์

3.วิธีการติดตั้งแผ่นพิมพ์
(1) วิธีการติดตั้ง (เช่น การติดตั้งแนวตั้งและการติดตั้งแนวนอน)
(2) สภาพการปิดผนึกและระยะห่างจากตัวเรือน

4. การแผ่รังสีความร้อน
(1) การแผ่รังสีของพื้นผิวกระดานพิมพ์
(2) ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแผ่นพิมพ์กับพื้นผิวที่อยู่ติดกันและอุณหภูมิสัมบูรณ์

5. การนำความร้อน
(1) ติดตั้งหม้อน้ำ;
(2) การนำส่วนโครงสร้างการติดตั้งอื่น ๆ

6. การพาความร้อน
(1) การพาความร้อนแบบธรรมชาติ
(2) การพาความร้อนแบบระบายความร้อนบังคับ

การวิเคราะห์ปัจจัยข้างต้นจาก PCB เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของบอร์ดพิมพ์ ปัจจัยเหล่านี้มักเกี่ยวข้องและขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์และระบบ ปัจจัยส่วนใหญ่ควรวิเคราะห์ตามสถานการณ์จริงสำหรับสถานการณ์จริงเฉพาะเท่านั้น ในสถานการณ์นี้เท่านั้นที่สามารถคำนวณหรือประมาณค่าพารามิเตอร์ของการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและการใช้พลังงานได้อย่างถูกต้อง

วิธีการระบายความร้อนแผงวงจร

1. อุปกรณ์สร้างความร้อนสูงพร้อมแผ่นระบายความร้อนและแผ่นนำความร้อน
เมื่ออุปกรณ์ไม่กี่ตัวใน PCB สร้างความร้อนจำนวนมาก (น้อยกว่า 3) สามารถเพิ่มแผ่นระบายความร้อนหรือท่อระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์สร้างความร้อนได้ เมื่อไม่สามารถลดอุณหภูมิได้ สามารถใช้แผ่นระบายความร้อนพร้อมพัดลมเพื่อเพิ่มเอฟเฟกต์การกระจายความร้อน เมื่อมีอุปกรณ์ทำความร้อนมากขึ้น (มากกว่า 3) สามารถใช้ฝาครอบกระจายความร้อนขนาดใหญ่ (บอร์ด) ได้ เป็นหม้อน้ำพิเศษที่ปรับแต่งตามตำแหน่งและความสูงของอุปกรณ์ทำความร้อนบนบอร์ด PCB หรือในหม้อน้ำแบนขนาดใหญ่ ตัดความสูงของส่วนประกอบต่างๆ ออก ยึดฝาครอบกระจายความร้อนกับพื้นผิวส่วนประกอบ และสัมผัสแต่ละส่วนประกอบเพื่อกระจายความร้อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความสม่ำเสมอที่ไม่ดีของส่วนประกอบระหว่างการประกอบและการเชื่อม ทำให้เอฟเฟกต์การกระจายความร้อนไม่ดี โดยทั่วไปแล้ว จะมีการเพิ่มแผ่นระบายความร้อนเปลี่ยนเฟสความร้อนแบบอ่อนบนพื้นผิวส่วนประกอบเพื่อปรับปรุงเอฟเฟกต์การกระจายความร้อน

2. การกระจายความร้อนผ่านแผงวงจร PCB เอง
ปัจจุบันแผ่น PCB ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือแผ่นเคลือบทองแดง/ผ้าแก้วอีพอกซีหรือแผ่นเคลือบผ้าแก้วเรซินฟีนอลิก และใช้แผ่นเคลือบทองแดงแบบกระดาษจำนวนเล็กน้อย แม้ว่าแผ่นเคลือบเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและประสิทธิภาพการประมวลผลที่ยอดเยี่ยม แต่มีการระบายความร้อนที่ไม่ดี ในฐานะเส้นทางการระบายความร้อนสำหรับส่วนประกอบที่สร้างความร้อนสูง PCB เองแทบจะไม่สามารถนำความร้อนจากเรซินของ PCB ได้ แต่สามารถกระจายความร้อนจากพื้นผิวของส่วนประกอบไปยังอากาศโดยรอบได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เข้าสู่ยุคของการย่อส่วนส่วนประกอบ การติดตั้งความหนาแน่นสูง และการประกอบความร้อนสูง การพึ่งพาพื้นผิวของส่วนประกอบที่มีพื้นที่ผิวเล็กมากเพื่อกระจายความร้อนจึงไม่เพียงพอ ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากการใช้ส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิว เช่น QFP และ BGA อย่างหนัก ความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบจึงถูกถ่ายโอนไปยังบอร์ด PCB ในปริมาณมาก ดังนั้น วิธีที่ดีที่สุดในการแก้ปัญหาการระบายความร้อนคือการปรับปรุงความสามารถในการกระจายความร้อนของ PCB เองที่สัมผัสโดยตรงกับองค์ประกอบความร้อน นำหรือปล่อย

3. ใช้การออกแบบเส้นทางที่เหมาะสมเพื่อให้เกิดการระบายความร้อน
เนื่องจากการนำความร้อนของเรซินในแผ่นไม่ดี และเส้นและรูของฟอยล์ทองแดงเป็นตัวนำความร้อนที่ดี การปรับปรุงอัตราการตกค้างของฟอยล์ทองแดงและการเพิ่มรูนำความร้อนจึงเป็นวิธีการหลักในการกระจายความร้อน
ในการประเมินความสามารถในการกระจายความร้อนของ PCB จำเป็นต้องคำนวณค่าการนำความร้อนเทียบเท่า (เก้าสมการ) ของวัสดุคอมโพสิตที่ประกอบด้วยวัสดุต่างๆ ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนต่างกัน ซึ่งเป็นพื้นผิวฉนวนของ PCB

4. สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบพาความร้อนอิสระ ควรจัดเรียงวงจรรวม (หรืออุปกรณ์อื่นๆ) ไว้ในแนวตั้งหรือแนวนอน

5. อุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์เดียวกันควรจัดวางตามการสร้างความร้อนและการกระจายความร้อนให้ได้มากที่สุด อุปกรณ์ที่สร้างความร้อนได้น้อยหรือทนความร้อนได้ไม่ดี (เช่น ทรานซิสเตอร์สัญญาณขนาดเล็ก วงจรรวมขนาดเล็ก ตัวเก็บประจุไฟฟ้า ฯลฯ) ควรวางไว้ในกระแสลมระบายความร้อนที่อยู่ด้านบนสุด (ทางเข้า) ส่วนอุปกรณ์ที่สร้างความร้อนได้มากหรือทนความร้อนได้ดี (เช่น ทรานซิสเตอร์กำลัง วงจรรวมขนาดใหญ่ ฯลฯ) ควรวางไว้ในกระแสลมระบายความร้อนที่อยู่ด้านล่างสุด

6. ในแนวนอน ควรวางอุปกรณ์กำลังสูงให้ใกล้กับขอบของบอร์ดที่พิมพ์ให้มากที่สุดเพื่อลดเส้นทางการถ่ายเทความร้อน ในแนวตั้ง ควรวางอุปกรณ์กำลังสูงให้ใกล้กับด้านบนของบอร์ดที่พิมพ์ให้มากที่สุดเพื่อลดอุณหภูมิของอุปกรณ์เหล่านี้เมื่อทำงานบนอุปกรณ์อื่น

7. ควรวางอุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุด (เช่น ด้านล่างของอุปกรณ์) ห้ามวางไว้เหนืออุปกรณ์ที่ก่อให้เกิดความร้อนโดยตรง ควรวางอุปกรณ์หลายชิ้นสลับกันในระนาบแนวนอน

8. การกระจายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ในอุปกรณ์นั้นขึ้นอยู่กับการไหลของอากาศเป็นหลัก ดังนั้นควรศึกษาเส้นทางการไหลของอากาศในการออกแบบ และกำหนดค่าอุปกรณ์หรือแผงวงจรพิมพ์อย่างเหมาะสม เมื่ออากาศไหล อากาศมักจะไหลไปที่ค่าความต้านทานต่ำ ดังนั้นเมื่อกำหนดค่าอุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์ จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงการเว้นช่องว่างอากาศขนาดใหญ่ในพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่ง การกำหนดค่าแผงวงจรพิมพ์หลายแผ่นในเครื่องทั้งหมดควรใส่ใจกับปัญหาเดียวกันด้วย

9. หลีกเลี่ยงความเข้มข้นของจุดร้อนบน PCB กระจายพลังงานให้ทั่ว PCB มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ และรักษาประสิทธิภาพอุณหภูมิของพื้นผิว PCB ให้สม่ำเสมอและสม่ำเสมอ การกระจายพลังงานที่สม่ำเสมออย่างเคร่งครัดมักเป็นเรื่องยากในกระบวนการออกแบบ แต่จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงพื้นที่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเกินไปเพื่อหลีกเลี่ยงจุดร้อนที่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของวงจรทั้งหมด หากเงื่อนไขเอื้ออำนวย การวิเคราะห์ประสิทธิภาพความร้อนของวงจรพิมพ์จึงเป็นสิ่งจำเป็น ตัวอย่างเช่น โมดูลซอฟต์แวร์วิเคราะห์ดัชนีประสิทธิภาพความร้อนที่เพิ่มในซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB ระดับมืออาชีพบางตัวสามารถช่วยให้ผู้ออกแบบเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบวงจรได้