10 phương pháp tản nhiệt PCB đơn giản và thiết thực

Từ PCB World

Đối với thiết bị điện tử, trong quá trình hoạt động, một lượng nhiệt nhất định sẽ được sinh ra, khiến nhiệt độ bên trong thiết bị tăng nhanh. Nếu nhiệt không được tản ra kịp thời, thiết bị sẽ tiếp tục nóng lên, dẫn đến hỏng hóc do quá nhiệt. Độ tin cậy của thiết bị điện tử sẽ giảm, hiệu suất hoạt động cũng giảm theo.

Do đó, việc xử lý tản nhiệt tốt cho bảng mạch là rất quan trọng. Tản nhiệt của bảng mạch PCB là một mắt xích rất quan trọng, vậy kỹ thuật tản nhiệt của bảng mạch PCB là gì, chúng ta hãy cùng tìm hiểu dưới đây.

01
Tản nhiệt qua chính bảng mạch PCB Các bảng mạch PCB hiện đang được sử dụng rộng rãi là các tấm nền vải thủy tinh phủ đồng/epoxy hoặc các tấm nền vải thủy tinh phủ nhựa phenolic và một lượng nhỏ các tấm nền vải đồng phủ giấy.

Mặc dù các chất nền này có đặc tính điện và khả năng xử lý tuyệt vời, nhưng khả năng tản nhiệt của chúng lại kém. Là một phương pháp tản nhiệt cho các linh kiện chịu nhiệt độ cao, gần như không thể mong đợi nhiệt được dẫn bởi nhựa của PCB, mà phải tản nhiệt từ bề mặt linh kiện ra không khí xung quanh.

Tuy nhiên, khi các sản phẩm điện tử bước vào kỷ nguyên thu nhỏ linh kiện, lắp ráp mật độ cao và lắp ráp tỏa nhiệt lớn, thì việc chỉ dựa vào bề mặt của linh kiện có diện tích bề mặt rất nhỏ để tản nhiệt là không đủ.

Đồng thời, do việc sử dụng rộng rãi các linh kiện gắn trên bề mặt như QFP và BGA, lượng nhiệt sinh ra từ linh kiện được truyền đến bảng mạch in (PCB) rất lớn. Do đó, cách tốt nhất để giải quyết vấn đề tản nhiệt là cải thiện khả năng tản nhiệt của chính PCB tiếp xúc trực tiếp với bộ phận gia nhiệt, có thể là dẫn nhiệt hoặc bức xạ.

Bố trí PCB
Các thiết bị cảm biến nhiệt được đặt ở khu vực có gió lạnh.

Thiết bị phát hiện nhiệt độ được đặt ở vị trí nóng nhất.

Các thiết bị trên cùng một bo mạch in nên được sắp xếp càng xa càng tốt theo nhiệt trị và mức độ tản nhiệt của chúng. Các thiết bị có nhiệt trị nhỏ hoặc khả năng chịu nhiệt kém (như transistor tín hiệu nhỏ, mạch tích hợp quy mô nhỏ, tụ điện phân, v.v.) nên được đặt trong luồng khí làm mát. Dòng khí trên cùng (ở đầu vào), các thiết bị có nhiệt trị hoặc khả năng chịu nhiệt lớn (như transistor công suất, mạch tích hợp quy mô lớn, v.v.) được đặt ở phía hạ lưu nhất của luồng khí làm mát.

Theo hướng ngang, các thiết bị công suất cao được đặt càng gần mép của bảng mạch in càng tốt để rút ngắn đường truyền nhiệt; theo hướng dọc, các thiết bị công suất cao được đặt càng gần đỉnh của bảng mạch in càng tốt để giảm tác động của các thiết bị này đến nhiệt độ của các thiết bị khác khi chúng hoạt động.

Việc tản nhiệt của bảng mạch in trong thiết bị chủ yếu dựa vào luồng không khí, do đó cần nghiên cứu đường dẫn luồng không khí trong quá trình thiết kế và cấu hình thiết bị hoặc bảng mạch in một cách hợp lý.

Trong quá trình thiết kế, việc đạt được sự phân bổ đồng đều nghiêm ngặt thường rất khó khăn, nhưng phải tránh các khu vực có mật độ công suất quá cao để tránh các điểm nóng ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của toàn bộ mạch.

Nếu có thể, cần phân tích hiệu suất nhiệt của mạch in. Ví dụ, mô-đun phần mềm phân tích chỉ số hiệu suất nhiệt được tích hợp trong một số phần mềm thiết kế PCB chuyên nghiệp có thể giúp các nhà thiết kế tối ưu hóa thiết kế mạch.

02
Linh kiện sinh nhiệt cao cùng với bộ tản nhiệt và tấm dẫn nhiệt. Khi một số lượng nhỏ linh kiện trong PCB tạo ra lượng nhiệt lớn (ít hơn 3), có thể lắp thêm bộ tản nhiệt hoặc ống dẫn nhiệt vào các linh kiện sinh nhiệt. Khi nhiệt độ không thể hạ xuống, có thể sử dụng bộ tản nhiệt có quạt để tăng cường hiệu quả tản nhiệt.

Khi số lượng thiết bị gia nhiệt lớn (hơn 3), có thể sử dụng tấm tản nhiệt lớn (bảng mạch), là một bộ tản nhiệt đặc biệt được tùy chỉnh theo vị trí và chiều cao của thiết bị gia nhiệt trên PCB, hoặc một bộ tản nhiệt phẳng lớn được cắt theo các vị trí chiều cao linh kiện khác nhau. Tấm tản nhiệt được gắn liền trên bề mặt linh kiện, tiếp xúc với từng linh kiện để tản nhiệt.

Tuy nhiên, hiệu quả tản nhiệt không tốt do độ đồng đều về chiều cao trong quá trình lắp ráp và hàn linh kiện. Thông thường, một miếng đệm nhiệt chuyển pha mềm được thêm vào bề mặt linh kiện để cải thiện hiệu quả tản nhiệt.

03
Đối với thiết bị sử dụng phương pháp làm mát bằng không khí đối lưu tự do, tốt nhất là bố trí các mạch tích hợp (hoặc các thiết bị khác) theo chiều dọc hoặc chiều ngang.

04
Áp dụng thiết kế dây dẫn hợp lý để tản nhiệt. Do nhựa trong tấm dẫn nhiệt kém, các đường và lỗ lá đồng dẫn nhiệt tốt, nên việc tăng tỷ lệ lá đồng còn lại và tăng số lượng lỗ dẫn nhiệt là biện pháp tản nhiệt chủ yếu. Để đánh giá khả năng tản nhiệt của PCB, cần tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương (chín eq) của vật liệu composite được tạo thành từ các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt khác nhau - nền cách điện cho PCB.

05
Các thiết bị trên cùng một bo mạch in nên được sắp xếp càng xa càng tốt theo nhiệt trị và mức độ tản nhiệt của chúng. Các thiết bị có nhiệt trị thấp hoặc khả năng chịu nhiệt kém (như transistor tín hiệu nhỏ, mạch tích hợp quy mô nhỏ, tụ điện phân, v.v.) nên được đặt trong luồng khí làm mát. Dòng khí trên cùng (ở đầu vào), các thiết bị có nhiệt hoặc khả năng chịu nhiệt lớn (như transistor công suất, mạch tích hợp quy mô lớn, v.v.) được đặt ở phía hạ lưu nhất của luồng khí làm mát.

06
Theo hướng ngang, các thiết bị công suất cao được bố trí càng gần mép của bảng mạch in càng tốt để rút ngắn đường truyền nhiệt; theo hướng thẳng đứng, các thiết bị công suất cao được bố trí càng gần đỉnh của bảng mạch in càng tốt để giảm ảnh hưởng của các thiết bị này đến nhiệt độ của các thiết bị khác.

07
Việc tản nhiệt của bảng mạch in trong thiết bị chủ yếu dựa vào luồng không khí, do đó cần nghiên cứu đường dẫn luồng không khí trong quá trình thiết kế và cấu hình thiết bị hoặc bảng mạch in một cách hợp lý.

Khi luồng không khí chảy, nó luôn có xu hướng chảy vào những nơi có điện trở thấp, vì vậy khi cấu hình các thiết bị trên bảng mạch in, hãy tránh để lại một khoảng không lớn ở một khu vực nhất định.

Việc cấu hình nhiều bảng mạch in trong toàn bộ máy cũng cần lưu ý đến vấn đề tương tự.

08
Thiết bị cảm biến nhiệt độ tốt nhất nên được đặt ở khu vực có nhiệt độ thấp nhất (chẳng hạn như đáy thiết bị). Không bao giờ đặt thiết bị ngay phía trên thiết bị sưởi ấm. Tốt nhất nên đặt nhiều thiết bị so le nhau trên mặt phẳng nằm ngang.

09
Đặt các thiết bị tiêu thụ điện năng và tỏa nhiệt nhiều nhất gần vị trí tản nhiệt tốt nhất. Không đặt các thiết bị tỏa nhiệt cao ở các góc và cạnh ngoại vi của bo mạch in, trừ khi có bộ tản nhiệt được bố trí gần đó. Khi thiết kế điện trở nguồn, hãy chọn thiết bị càng lớn càng tốt và đảm bảo có đủ không gian tản nhiệt khi điều chỉnh bố cục của bo mạch in.

10
Tránh tập trung các điểm nóng trên PCB, phân phối điện năng đều trên bảng PCB càng nhiều càng tốt và giữ cho hiệu suất nhiệt độ bề mặt PCB đồng đều và ổn định.