จาก PCB World
สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความร้อนจำนวนหนึ่งจะเกิดขึ้นระหว่างการทำงาน ทำให้อุณหภูมิภายในอุปกรณ์สูงขึ้นอย่างรวดเร็ว หากความร้อนไม่ได้รับการระบายออกตามเวลาที่กำหนด อุปกรณ์จะยังคงร้อนขึ้นอย่างต่อเนื่อง และอุปกรณ์จะเสียหายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไป ความน่าเชื่อถือของประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะลดลง
ดังนั้น การระบายความร้อนที่ดีบนแผงวงจรจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง การระบายความร้อนของแผงวงจร PCB ถือเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่ง ดังนั้น เทคนิคในการระบายความร้อนของแผงวงจร PCB คืออะไร เรามาพูดถึงกันในหัวข้อถัดไป
01
การระบายความร้อนผ่านแผงวงจร PCB เอง แผงวงจร PCB ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ได้แก่ แผ่นใยแก้วเคลือบทองแดง/อีพอกซี หรือแผ่นใยแก้วเรซินฟีนอลิก และมีการใช้แผงวงจรเคลือบทองแดงแบบกระดาษจำนวนเล็กน้อย
แม้ว่าวัสดุพิมพ์เหล่านี้จะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและคุณสมบัติในการประมวลผลที่ดีเยี่ยม แต่ก็มีการระบายความร้อนที่ไม่ดีนัก ในฐานะวิธีการระบายความร้อนสำหรับส่วนประกอบที่มีความร้อนสูง แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคาดหวังให้เรซินของ PCB เองนำความร้อนได้ แต่กลับสามารถระบายความร้อนจากพื้นผิวของส่วนประกอบออกสู่อากาศโดยรอบได้
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เข้าสู่ยุคของการย่อส่วนส่วนประกอบ การติดตั้งความหนาแน่นสูง และการประกอบความร้อนสูง การพึ่งพาพื้นผิวของส่วนประกอบที่มีพื้นที่ผิวเล็กมากเพื่อระบายความร้อนจึงไม่เพียงพอ
ในขณะเดียวกัน เนื่องจากมีการใช้ส่วนประกอบแบบติดตั้งบนพื้นผิวอย่าง QFP และ BGA อย่างกว้างขวาง ความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบเหล่านี้จึงถูกถ่ายโอนไปยังแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ในปริมาณมาก ดังนั้น วิธีที่ดีที่สุดในการแก้ไขปัญหาการระบายความร้อนคือการปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่สัมผัสกับส่วนประกอบทำความร้อนโดยตรง ทั้งการนำความร้อนและการแผ่รังสี
เค้าโครง PCB
อุปกรณ์ที่ไวต่อความร้อนจะถูกวางไว้ในบริเวณที่มีลมเย็น
อุปกรณ์ตรวจจับอุณหภูมิถูกวางไว้ในตำแหน่งที่ร้อนที่สุด
ควรจัดวางอุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์เดียวกันให้เหมาะสมที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามค่าความร้อนและระดับการกระจายความร้อน อุปกรณ์ที่มีค่าความร้อนต่ำหรือความต้านทานความร้อนต่ำ (เช่น ทรานซิสเตอร์สัญญาณขนาดเล็ก วงจรรวมขนาดเล็ก ตัวเก็บประจุไฟฟ้า ฯลฯ) ควรวางในทิศทางลมเย็น ส่วนทิศทางลมบนสุด (ตรงทางเข้า) อุปกรณ์ที่มีค่าความร้อนหรือความต้านทานความร้อนสูง (เช่น ทรานซิสเตอร์กำลัง วงจรรวมขนาดใหญ่ ฯลฯ) ควรวางในตำแหน่งปลายสุดของทิศทางลมเย็น
ในทิศทางแนวนอน อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกวางไว้ใกล้กับขอบของบอร์ดที่พิมพ์ให้มากที่สุดเพื่อลดเส้นทางการถ่ายเทความร้อน ในทิศทางแนวตั้ง อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกวางไว้ใกล้กับด้านบนของบอร์ดที่พิมพ์ให้มากที่สุดเพื่อลดผลกระทบของอุปกรณ์เหล่านี้ต่ออุณหภูมิของอุปกรณ์อื่นๆ ในขณะที่ทำงาน
การระบายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ในอุปกรณ์นั้นอาศัยการไหลของอากาศเป็นหลัก ดังนั้น ควรศึกษาเส้นทางการไหลของอากาศในระหว่างการออกแบบ และควรกำหนดค่าอุปกรณ์หรือแผงวงจรพิมพ์ให้เหมาะสม
มักเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการกระจายสม่ำเสมออย่างเคร่งครัดในระหว่างกระบวนการออกแบบ แต่ต้องหลีกเลี่ยงพื้นที่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเกินไป เพื่อป้องกันไม่ให้จุดร้อนส่งผลต่อการทำงานปกติของวงจรทั้งหมด
หากเป็นไปได้ จำเป็นต้องวิเคราะห์ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรพิมพ์ ตัวอย่างเช่น โมดูลซอฟต์แวร์วิเคราะห์ดัชนีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เพิ่มเข้ามาในซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB ระดับมืออาชีพบางรุ่นสามารถช่วยให้นักออกแบบปรับปรุงการออกแบบวงจรให้เหมาะสมที่สุดได้
02
ส่วนประกอบที่สร้างความร้อนสูง ได้แก่ หม้อน้ำและแผ่นนำความร้อน เมื่อส่วนประกอบจำนวนน้อยในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สร้างความร้อนในปริมาณมาก (น้อยกว่า 3 ชิ้น) สามารถเพิ่มฮีตซิงก์หรือฮีตไปป์ให้กับส่วนประกอบที่สร้างความร้อนได้ หากไม่สามารถลดอุณหภูมิลงได้ สามารถใช้หม้อน้ำพร้อมพัดลมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน
เมื่อจำนวนอุปกรณ์ทำความร้อนมีมาก (มากกว่า 3 ชิ้น) สามารถใช้แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ (บอร์ด) ได้ ซึ่งแผ่นระบายความร้อนนี้จะเป็นฮีตซิงก์แบบพิเศษที่ปรับแต่งให้เข้ากับตำแหน่งและความสูงของอุปกรณ์ทำความร้อนบนแผงวงจรพิมพ์ หรือฮีตซิงก์แบบแบนขนาดใหญ่ การตัดส่วนสูงของส่วนประกอบต่างๆ ออก แผ่นระบายความร้อนนี้ถูกยึดติดอย่างแนบสนิทกับพื้นผิวของส่วนประกอบ และสัมผัสกับส่วนประกอบแต่ละชิ้นเพื่อระบายความร้อน
อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการระบายความร้อนไม่ดีนักเนื่องจากความสูงที่สม่ำเสมอระหว่างการประกอบและการเชื่อมชิ้นส่วนไม่ดี โดยทั่วไปแล้ว จะมีการใส่แผ่นความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสที่อ่อนนุ่มบนพื้นผิวของชิ้นส่วนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน
03
สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบพาความร้อนอิสระ ควรจัดเรียงวงจรรวม (หรืออุปกรณ์อื่นๆ) ในแนวตั้งหรือแนวนอน
04
ออกแบบการเดินสายให้เหมาะสมเพื่อให้เกิดการระบายความร้อน เนื่องจากเรซินในแผ่นมีคุณสมบัติการนำความร้อนต่ำ และเส้นและรูของแผ่นฟอยล์ทองแดงเป็นตัวนำความร้อนที่ดี การเพิ่มอัตราการไหลของแผ่นฟอยล์ทองแดงที่เหลือและการเพิ่มรูนำความร้อนจึงเป็นวิธีการหลักในการระบายความร้อน ในการประเมินความสามารถในการระบายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จำเป็นต้องคำนวณค่าการนำความร้อนเทียบเท่า (เก้าสมการ) ของวัสดุคอมโพสิตที่ประกอบด้วยวัสดุต่างๆ ที่มีค่าการนำความร้อนแตกต่างกัน ซึ่งเป็นวัสดุฉนวนสำหรับแผงวงจรพิมพ์
05
ควรจัดวางอุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์เดียวกันให้เหมาะสมที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามค่าความร้อนและระดับการกระจายความร้อน อุปกรณ์ที่มีค่าความร้อนต่ำหรือทนความร้อนต่ำ (เช่น ทรานซิสเตอร์สัญญาณขนาดเล็ก วงจรรวมขนาดเล็ก ตัวเก็บประจุไฟฟ้า ฯลฯ) ควรวางในทิศทางลมเย็น ส่วนทิศทางลมบนสุด (ตรงทางเข้า) อุปกรณ์ที่มีค่าความร้อนหรือทนความร้อนสูง (เช่น ทรานซิสเตอร์กำลัง วงจรรวมขนาดใหญ่ ฯลฯ) ควรวางในตำแหน่งปลายสุดของทิศทางลมเย็น
06
ในทิศทางแนวนอน อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกจัดเรียงให้ใกล้กับขอบของบอร์ดที่พิมพ์ให้มากที่สุดเพื่อลดเส้นทางการถ่ายเทความร้อน ในทิศทางแนวตั้ง อุปกรณ์กำลังสูงจะถูกจัดเรียงให้ใกล้กับด้านบนของบอร์ดที่พิมพ์ให้มากที่สุดเพื่อลดอิทธิพลของอุปกรณ์เหล่านี้ต่ออุณหภูมิของอุปกรณ์อื่นๆ
07
การระบายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ในอุปกรณ์นั้นอาศัยการไหลของอากาศเป็นหลัก ดังนั้น ควรศึกษาเส้นทางการไหลของอากาศในระหว่างการออกแบบ และควรกำหนดค่าอุปกรณ์หรือแผงวงจรพิมพ์ให้เหมาะสม
เมื่ออากาศไหล มันมักจะไหลไปยังสถานที่ที่มีความต้านทานต่ำ ดังนั้นเมื่อกำหนดค่าอุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์ หลีกเลี่ยงการเว้นช่องว่างอากาศขนาดใหญ่ไว้ในพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่ง
การกำหนดค่าแผงวงจรพิมพ์หลายแผงในเครื่องทั้งหมดควรให้ความสำคัญกับปัญหาเดียวกันด้วย
08
ควรวางอุปกรณ์ไวต่ออุณหภูมิในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุด (เช่น ด้านล่างของอุปกรณ์) ไม่ควรวางอุปกรณ์ไว้เหนืออุปกรณ์ทำความร้อนโดยตรง ควรวางอุปกรณ์หลายชิ้นสลับกันในแนวนอน
09
วางอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานและความร้อนสูงที่สุดไว้ใกล้กับตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการระบายความร้อน อย่าวางอุปกรณ์ที่มีความร้อนสูงไว้ที่มุมและขอบรอบนอกของแผงวงจรพิมพ์ เว้นแต่จะมีฮีตซิงก์ติดตั้งไว้ใกล้ๆ ในการออกแบบตัวต้านทานไฟฟ้า ให้เลือกอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และให้มีพื้นที่เพียงพอสำหรับการระบายความร้อนเมื่อปรับเค้าโครงของแผงวงจรพิมพ์
10
หลีกเลี่ยงการรวมตัวของจุดร้อนบน PCB กระจายพลังงานให้เท่าๆ กันบนบอร์ด PCB ให้ได้มากที่สุด และรักษาประสิทธิภาพอุณหภูมิพื้นผิว PCB ให้สม่ำเสมอและสม่ำเสมอ
มักเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการกระจายสม่ำเสมออย่างเคร่งครัดในระหว่างกระบวนการออกแบบ แต่ต้องหลีกเลี่ยงพื้นที่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเกินไป เพื่อป้องกันไม่ให้จุดร้อนส่งผลต่อการทำงานปกติของวงจรทั้งหมด
หากเป็นไปได้ จำเป็นต้องวิเคราะห์ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรพิมพ์ ตัวอย่างเช่น โมดูลซอฟต์แวร์วิเคราะห์ดัชนีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เพิ่มเข้ามาในซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB ระดับมืออาชีพบางรุ่นสามารถช่วยให้นักออกแบบปรับปรุงการออกแบบวงจรให้เหมาะสมที่สุดได้