จาก พีซีบี เวิลด์

สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จะมีการสร้างความร้อนจำนวนหนึ่งขึ้นระหว่างการทำงาน เพื่อให้อุณหภูมิภายในของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วหากความร้อนไม่กระจายไปทันเวลา อุปกรณ์จะยังคงร้อนขึ้นต่อไป และอุปกรณ์จะล้มเหลวเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ประสิทธิภาพจะลดลง

ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญมากที่จะต้องดำเนินการกระจายความร้อนที่ดีบนแผงวงจรการกระจายความร้อนของแผงวงจร PCB เป็นส่วนเชื่อมต่อที่สำคัญมาก ดังนั้นเทคนิคการกระจายความร้อนของแผงวงจร PCB คืออะไร เราจะมาพูดคุยกันด้านล่าง

01
การกระจายความร้อนผ่านบอร์ด PCB เอง บอร์ด PCB ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันคือพื้นผิวผ้าแก้วเคลือบทองแดง/อีพ็อกซี่ หรือพื้นผิวผ้าแก้วฟีนอลิกเรซิน และใช้บอร์ดทองแดงหุ้มกระดาษจำนวนเล็กน้อย

แม้ว่าพื้นผิวเหล่านี้จะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและคุณสมบัติการประมวลผลที่ดีเยี่ยม แต่ก็มีการกระจายความร้อนได้ไม่ดีเนื่องจากเป็นวิธีการกระจายความร้อนสำหรับส่วนประกอบที่มีความร้อนสูง แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคาดหวังว่าความร้อนจะเกิดขึ้นจากเรซินของ PCB เอง แต่จะกระจายความร้อนจากพื้นผิวของส่วนประกอบไปยังอากาศโดยรอบ

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เข้าสู่ยุคของการย่อขนาดส่วนประกอบ การติดตั้งที่มีความหนาแน่นสูงและการประกอบที่มีความร้อนสูง การพึ่งพาพื้นผิวของส่วนประกอบที่มีพื้นที่ผิวน้อยมากในการกระจายความร้อนจึงไม่เพียงพอ

ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากมีการใช้ส่วนประกอบยึดพื้นผิวอย่าง QFP และ BGA อย่างกว้างขวาง ความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบจึงถูกถ่ายโอนไปยังบอร์ด PCB ในปริมาณมากดังนั้นวิธีที่ดีที่สุดในการแก้ปัญหาการกระจายความร้อนคือการปรับปรุงความสามารถในการกระจายความร้อนของ PCB เองซึ่งสัมผัสโดยตรงกับองค์ประกอบความร้อนดำเนินการหรือฉายรังสี

เค้าโครง PCB
อุปกรณ์ที่ไวต่อความร้อนจะถูกวางไว้ในบริเวณที่มีลมหนาว

อุปกรณ์ตรวจจับอุณหภูมิจะถูกวางในตำแหน่งที่ร้อนที่สุด

ควรจัดเรียงอุปกรณ์บนกระดานพิมพ์เดียวกันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามค่าความร้อนและระดับการกระจายความร้อนควรวางอุปกรณ์ที่มีค่าความร้อนต่ำหรือทนความร้อนต่ำ (เช่น ทรานซิสเตอร์สัญญาณขนาดเล็ก วงจรรวมขนาดเล็ก ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ฯลฯ) ในช่องระบายความร้อนการไหลบนสุด (ที่ทางเข้า) อุปกรณ์ที่มีความร้อนสูงหรือทนความร้อน (เช่น ทรานซิสเตอร์กำลัง วงจรรวมขนาดใหญ่ ฯลฯ) จะถูกวางไว้ที่ปลายน้ำที่สุดของการไหลเวียนของอากาศทำความเย็น

ในแนวนอน อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกวางใกล้กับขอบของบอร์ดที่พิมพ์มากที่สุดเพื่อลดเส้นทางการถ่ายเทความร้อนในแนวตั้ง อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกวางไว้ใกล้กับด้านบนของบอร์ดพิมพ์มากที่สุด เพื่อลดผลกระทบของอุปกรณ์เหล่านี้ต่ออุณหภูมิของอุปกรณ์อื่นเมื่อทำงาน

การกระจายความร้อนของบอร์ดพิมพ์ในอุปกรณ์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการไหลของอากาศ ดังนั้นควรศึกษาเส้นทางการไหลของอากาศในระหว่างการออกแบบ และอุปกรณ์หรือแผงวงจรพิมพ์ควรได้รับการกำหนดค่าอย่างสมเหตุสมผล

บ่อยครั้งเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการกระจายที่สม่ำเสมออย่างเข้มงวดในระหว่างกระบวนการออกแบบ แต่ต้องหลีกเลี่ยงพื้นที่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเกินไป เพื่อป้องกันไม่ให้จุดร้อนส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของวงจรทั้งหมด

หากเป็นไปได้จำเป็นต้องวิเคราะห์ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรพิมพ์ตัวอย่างเช่น โมดูลซอฟต์แวร์การวิเคราะห์ดัชนีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เพิ่มเข้ามาในซอฟต์แวร์การออกแบบ PCB ระดับมืออาชีพบางตัวสามารถช่วยนักออกแบบเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบวงจรได้

02
ส่วนประกอบที่สร้างความร้อนสูงพร้อมหม้อน้ำและแผ่นนำความร้อนเมื่อส่วนประกอบจำนวนเล็กน้อยใน PCB สร้างความร้อนจำนวนมาก (น้อยกว่า 3) คุณสามารถเพิ่มตัวระบายความร้อนหรือท่อความร้อนลงในส่วนประกอบที่สร้างความร้อนได้เมื่อไม่สามารถลดอุณหภูมิลงได้ก็สามารถใช้หม้อน้ำพร้อมพัดลมเพื่อเพิ่มผลการกระจายความร้อน

เมื่อจำนวนอุปกรณ์ทำความร้อนมีขนาดใหญ่ (มากกว่า 3) สามารถใช้ฝาครอบกระจายความร้อนขนาดใหญ่ (บอร์ด) ซึ่งเป็นแผงระบายความร้อนพิเศษที่ปรับแต่งตามตำแหน่งและความสูงของอุปกรณ์ทำความร้อนบน PCB หรือแบนขนาดใหญ่ แผ่นระบายความร้อน ตัดตำแหน่งความสูงของส่วนประกอบต่างๆ ออกฝาครอบกระจายความร้อนถูกโค้งงอบนพื้นผิวของส่วนประกอบ และจะสัมผัสกับส่วนประกอบแต่ละชิ้นเพื่อกระจายความร้อน

อย่างไรก็ตาม ผลการกระจายความร้อนไม่ดีเนื่องจากความสูงไม่สม่ำเสมอระหว่างการประกอบและการเชื่อมส่วนประกอบโดยปกติแล้ว แผ่นระบายความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสความร้อนแบบอ่อนจะถูกเพิ่มลงบนพื้นผิวของส่วนประกอบเพื่อปรับปรุงผลการกระจายความร้อน

03
สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศหมุนเวียนแบบอิสระ วิธีที่ดีที่สุดคือจัดเรียงวงจรรวม (หรืออุปกรณ์อื่นๆ) ในแนวตั้งหรือแนวนอน

04
ใช้การออกแบบสายไฟที่เหมาะสมเพื่อให้ทราบถึงการกระจายความร้อนเนื่องจากเรซินในแผ่นมีค่าการนำความร้อนต่ำ และเส้นและรูฟอยล์ทองแดงเป็นตัวนำความร้อนที่ดี การเพิ่มอัตราฟอยล์ทองแดงที่เหลือและการเพิ่มรูการนำความร้อนเป็นวิธีหลักในการกระจายความร้อนในการประเมินความสามารถในการกระจายความร้อนของ PCB จำเป็นต้องคำนวณค่าการนำความร้อนที่เท่ากัน (เก้า eq) ของวัสดุคอมโพสิตที่ประกอบด้วยวัสดุต่างๆ ที่มีค่าการนำความร้อนต่างกัน ซึ่งก็คือสารตั้งต้นที่เป็นฉนวนสำหรับ PCB

05
ควรจัดเรียงอุปกรณ์บนกระดานพิมพ์เดียวกันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามค่าความร้อนและระดับการกระจายความร้อนควรวางอุปกรณ์ที่มีค่าความร้อนต่ำหรือทนความร้อนต่ำ (เช่น ทรานซิสเตอร์สัญญาณขนาดเล็ก วงจรรวมขนาดเล็ก ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ฯลฯ) ในช่องระบายความร้อนการไหลบนสุด (ที่ทางเข้า) อุปกรณ์ที่มีความร้อนสูงหรือทนความร้อน (เช่น ทรานซิสเตอร์กำลัง วงจรรวมขนาดใหญ่ ฯลฯ) จะถูกวางไว้ที่ปลายน้ำที่สุดของการไหลเวียนของอากาศทำความเย็น

06
ในแนวนอน อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกจัดเรียงให้ใกล้กับขอบของบอร์ดที่พิมพ์มากที่สุดเพื่อลดเส้นทางการถ่ายเทความร้อนในแนวตั้ง อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกจัดเรียงให้ใกล้กับด้านบนของบอร์ดพิมพ์มากที่สุด เพื่อลดอิทธิพลของอุปกรณ์เหล่านี้ที่มีต่ออุณหภูมิของอุปกรณ์อื่น ๆ.

07
การกระจายความร้อนของบอร์ดพิมพ์ในอุปกรณ์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการไหลของอากาศ ดังนั้นควรศึกษาเส้นทางการไหลของอากาศในระหว่างการออกแบบ และอุปกรณ์หรือแผงวงจรพิมพ์ควรได้รับการกำหนดค่าอย่างสมเหตุสมผล

เมื่ออากาศไหล มักจะไหลในสถานที่ที่มีความต้านทานต่ำเสมอ ดังนั้นเมื่อกำหนดค่าอุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์ ให้หลีกเลี่ยงการทิ้งน่านฟ้าขนาดใหญ่ไว้ในพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่ง

การกำหนดค่าแผงวงจรพิมพ์หลายแผ่นในเครื่องทั้งหมดควรคำนึงถึงปัญหาเดียวกันด้วย

08
อุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิควรวางไว้ในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำสุด (เช่น ด้านล่างของอุปกรณ์)ห้ามวางไว้เหนืออุปกรณ์ทำความร้อนโดยตรงวิธีที่ดีที่สุดคือวางอุปกรณ์หลายชิ้นบนระนาบแนวนอน

09
วางอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานและสร้างความร้อนสูงสุดใกล้กับตำแหน่งที่ดีที่สุดในการกระจายความร้อนอย่าวางอุปกรณ์ให้ความร้อนสูงไว้ที่มุมและขอบด้านนอกของบอร์ดที่พิมพ์ เว้นแต่จะมีตัวระบายความร้อนอยู่ใกล้ๆเมื่อออกแบบตัวต้านทานกำลัง ให้เลือกอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นให้มากที่สุด และจัดให้มีพื้นที่เพียงพอสำหรับการกระจายความร้อนเมื่อทำการปรับเค้าโครงของบอร์ดที่พิมพ์

10
หลีกเลี่ยงความเข้มข้นของจุดร้อนบน PCB กระจายพลังงานอย่างสม่ำเสมอบนบอร์ด PCB ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และรักษาประสิทธิภาพอุณหภูมิพื้นผิว PCB ให้สม่ำเสมอและสม่ำเสมอ

บ่อยครั้งเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการกระจายที่สม่ำเสมออย่างเข้มงวดในระหว่างกระบวนการออกแบบ แต่ต้องหลีกเลี่ยงพื้นที่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเกินไป เพื่อป้องกันไม่ให้จุดร้อนส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของวงจรทั้งหมด

หากเป็นไปได้จำเป็นต้องวิเคราะห์ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรพิมพ์ตัวอย่างเช่น โมดูลซอฟต์แวร์การวิเคราะห์ดัชนีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เพิ่มเข้ามาในซอฟต์แวร์การออกแบบ PCB ระดับมืออาชีพบางตัวสามารถช่วยนักออกแบบเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบวงจรได้