بالنسبة للبشر، يؤدي ارتفاع درجة حرارة الجسم بشكل مفرط إلى الإصابة بالمرض. أما بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، فتتعطل مكوناتها عندما ترتفع درجة حرارتها بشكل مفرط، مما يؤدي إلى انخفاض موثوقيتها. ولذلك، من المهم جدًّا تبريد لوحات الدوائر الإلكترونية بشكل جيد.
في التصميم الحراري، تُعد لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) الناقل الرئيسي للحرارة. وتأتي الحرارة الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة من ثلاثة مصادر:
- الحرارة المنبعثة من المكونات الإلكترونية.
- الحرارة المنبعثة من لوحة الدوائر المطبوعة نفسها.
- الحرارة التي تأتي من أجزاء أخرى من النظام.
من بين هذه العوامل الثلاثة، تُعد الحرارة المنبعثة من المكونات هي الأكبر. فهي المصدر الرئيسي للحرارة. ويليها الحرارة الناتجة عن لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). أما الحرارة القادمة من الخارج فتعتمد على التصميم الحراري للنظام بأكمله.
في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الفعلي، يتعين على المهندسين مراعاة العديد من العوامل المتعلقة بالتبريد. وتشمل هذه العوامل مادة اللوحة، واختيار المكونات، وتوزيع المكونات. وسأركز أدناه على التبريد في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرحلة.
1. لماذا يعتبر تبريد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) أمرًا مهمًا
يُعد تحسين التبريد في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) عاملاً أساسياً للحفاظ على موثوقية الأجهزة وضمان استمرارية عملها. يجب عليك التفكير في التخطيط والتوجيه والمواد والهيكل في آن واحد. وفيما يلي بعض استراتيجيات التبريد المنهجية.
2. المواد وتحسين تركيب الطبقات
مواد أساسية ذات موصلية حرارية عالية
- استخدم مادة FR-4 عالية الأداء الحراري ذات الموصلية الحرارية الأعلى (على سبيل المثال ≥ 1.0 واط/م·كلفن) أو استخدم الألواح ذات القلب المعدني.
- تبلغ الموصلية الحرارية لألواح القاعدة المصنوعة من الألومنيوم حوالي 5 إلى 10 واط/م·كلفن.
- بالنسبة للمواقف التي تتطلب ترددات عالية، يُنصح باستخدام الألواح الخزفية. تبلغ قيمة التوصيل الحراري لمادة Al₂O₃ حوالي 24 واط/م·كلفن، بينما تبلغ قيمة التوصيل الحراري لمادة AlN حوالي 180 واط/م·كلفن.
استراتيجية سماكة النحاس
- استخدم نحاسًا أكثر سمكًا في طبقات الطاقة والتأريض. على سبيل المثال، استخدم سماكة 2 أونصة (حوالي 70 ميكرومتر) أو أكثر.
- بالنسبة لمسارات التيار العالي، أضف سماكة نحاسية محلية تتراوح بين 3 و6 أونصات. استخدم تصميمًا نحاسيًا متدرجًا.
3. نصائح لتبريد التخطيط
قواعد تخطيط الأجزاء
- ضع المكونات الساخنة (موسفات الطاقة، ومنظمات الجهد، ودوائر التشغيل المتكاملة) متباعدة عن بعضها. تجنب تراكم الحرارة في مكان واحد.
- احرص على إبقاء الأجزاء الحساسة (البلورات، محولات ADC) على مسافة لا تقل عن 5 مم من مصادر الحرارة. وإذا لزم الأمر، أضف فتحات للعزل الحراري.
- ضع المكونات عالية الطاقة بالقرب من حواف اللوحة أو بالقرب من الأماكن التي يمكن تركيب مبدد حراري فيها.
تصميم القنوات الحرارية
مثال جيد على المسار الحراري:
[دائرة متكاملة للطاقة] → [مصفوفة من الثقوب الحرارية] → [الطبقة النحاسية الداخلية] → [الوسادة الحرارية على حافة اللوحة]
↘ [مبدد حراري خارجي]
يُظهر المسار انتقال الحرارة من الدائرة المتكاملة إلى الثقوب الموصلة، ثم إلى النحاس الداخلي، ثم إلى حافة اللوحة أو إلى مبدد حراري خارجي.
4. تحسينات صب النحاس وتسخين النحاس
تحسين عملية صب النحاس
- قم بإنشاء مناطق من النحاس الصلب أسفل الأجزاء التي تمر بها التيارات الكهربائية. واجعل مساحة منطقة النحاس ثلاثة أضعاف مساحة الجزء على الأقل.
- استخدم أشكالًا نحاسية شبكية كلما أمكن ذلك. فالشبكة تقلل من الإجهاد الحراري. قم بربط الشبكة بعدد كبير من الثقوب الموصلة.
الهياكل النحاسية الخاصة
- استخدم وسادات التبريد الحراري في الثقوب المارة أو لوحات المفاتيح لتجنب حدوث وصلات لحام باردة.
- بالنسبة للمناطق ذات الطاقة العالية جدًّا، استخدم تقنية التطعيم بالنحاس. وتتمثل هذه التقنية في وضع كتلة نحاسية صلبة داخل اللوحة.
5. عبر المصفوفة لنقل الحرارة
من خلال تصميم المصفوفة
- استخدام الثقوب المارة عبر المصفوفات تحت مصادر الحرارة. الحجم النموذجي للثقب المار: 0.3 ± 0.05 مم. ويحقق هذا الحجم التوازن بين نقل الحرارة وقابلية التصنيع.
- المسافة بين الثقوب: 1.5 إلى 2 ضعف قطر الثقب. يجب أن تكون المصفوفات بحجم 5 × 5 على الأقل.
- طريقة التعبئة:
- التكلفة السابقة: استخدام ثقوب ربط مملوءة بالراتنج.
- للحصول على أفضل نقل حراري: استخدم ثقوب التوصيل المملوءة بالطلاء الكهربائي. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة النقل الحراري بأكثر من 40%.
عبر استراتيجية الاتصال
- بالنسبة للوحات متعددة الطبقات، يجب أن تمر الثقوب عبر جميع مستويات الطاقة والتأريض.
- بالنسبة للوحات أحادية الجانب، أضف جزرًا نحاسية ومجموعات ثقوب توصيل على الجانب الخلفي للمساعدة في إخراج الحرارة.
6. التبريد الخارجي والتكامل على مستوى اللوحة
دمج نظام التبريد على مستوى اللوحة
- اترك فتحات لتركيب المبدد الحراري. استخدم براغي M3 مع ترك فراغ يبلغ 1 مم.
- قم بإنشاء نوافذ أسفل الأجزاء الكهربائية في قناع اللحام (قناع اللحام (النافذة المحددة) لتحسين الواجهة الحرارية.
اختيار مواد الواجهة
| نوع المادة | الموصلية الحرارية (وات/م كلفن) | حالة الاستخدام |
|---|---|---|
| معجون التبريد | 1 – 5 | سد الفجوات الصغيرة (< 0.1 مم) |
| الوسادات الحرارية | 3 – 12 | فجوات متوسطة (0.2 – 1 مم) |
| مادة متغيرة الحالة | 5 – 8 | الملء التلقائي للأسطح غير المستوية |
| المعدن السائل | 15 – 80 | الحالات التي تتسم بكثافة طاقة عالية جدًّا |
اختر مادة الواجهة بحيث تتناسب مع حجم الفجوة وكثافة الطاقة.
7. تصميم التبريد بالهواء القسري
تصميم يتناسب مع تدفق الهواء
- قم بمحاذاة الأجزاء المعرضة للحرارة في اتجاه تدفق الهواء. فهذا يمنع الأجزاء الواقعة في اتجاه التيار من التعرض لارتفاع مفرط في درجة الحرارة.
- اترك مسارًا هوائيًا خاليًا لا يقل عن 3 ملم حول الأجزاء المرتفعة.
- أضف قنوات على مستوى اللوحة لتوجيه تدفق الهواء وتحسين مسارات التبريد.
8. المحاكاة الحرارية والتحقق
تدفق المحاكاة
اتبع الخطوات التالية:
- قم بإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد.
- تحديد الشروط الحدية الحرارية.
- قم بإجراء تحليل الحالة المستقرة أو تحليل الحالة العابرة.
- قم بتصور مجال درجات الحرارة.
- تحقق مما إذا كانت درجة حرارة أي نقطة ساخنة تتجاوز 85 درجة مئوية.
- إذا كانت الإجابة «نعم»، فقم بتحسين التصميم ونظام التبريد.
- إذا كانت الإجابة «لا»، فقم بإصدار تقرير المخاطر الحرارية.
الأدوات الشائعة: ANSYS Icepak، FloTHERM XT، Simcenter FLOEFD.
9. ملاحظات العملية وإرشادات التصنيع
موثوقية اللحام
- تجنب وضع الثقوب الحرارية مباشرةً في وسط نقاط التوصيل. استخدم بدلاً من ذلك أنماط التوزيع الحراري المتقاطعة.
- في حالة اللحام بالموجة، قم بملء أو تغطية الثقوب الحرارية الموجودة على جانب المكون لتجنب تدفق مادة اللحام عبرها.
التحكم في الإجهاد الحراري
- استخدم مواد ذات درجة حرارة زجاجية (Tg) عالية (Tg ≥ 170 درجة مئوية) لتتوافق مع درجات حرارة اللحام بإعادة الانصهار.
- يجب أن تكون المناطق النحاسية الكبيرة متوازنة على كلا الجانبين لتجنب انحناء اللوحة.
10. القواعد الأساسية للتصميم
- إذا كانت كثافة الطاقة > 0.05 واط/سم²، فيجب عليك إجراء تصميم حراري خاص.
- يجب الحفاظ على درجة حرارة الوصلة (T_j) للمكون أقل من 80% من الحد المذكور في ورقة البيانات.
- بالنسبة للرقائق المعقدة مثل وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات الدوائر القابلة للبرمجة (FPGA)، استخدم نموذج مصفوفة المقاومة الحرارية:
T_j = T_a + Σ(P_i × θ_ji)
حيث T_j هي درجة حرارة الوصلة، وT_a هي درجة حرارة البيئة المحيطة، وP_i هي طاقة المصدر i، وθ_ji هي المقاومة الحرارية من المصدر i إلى الوصلة j. احصل على قيمة θ_ji من ورقة بيانات الرقاقة.
11. التبريد عبر لوحة الدوائر المطبوعة نفسها
المواد الأساسية الشائعة المستخدمة في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) هي نسيج الزجاج الإيبوكسي المطلي بالنحاس أو نسيج الزجاج الفينولي. وهناك عدد قليل من اللوحات التي تستخدم لوحات مطلية بالنحاس ذات أساس ورقي. تتمتع هذه المواد بخصائص كهربائية وتصنيعية جيدة، لكنها لا توصل الحرارة بشكل جيد. وبالنسبة للأجزاء الساخنة، لا يمكن الاعتماد على راتنج لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لتبديد الحرارة. يجب أن تنتقل الحرارة من سطح الجزء إلى الهواء.
أصبحت الأجهزة الإلكترونية اليوم أكثر إحكاما. حيث تقع المكونات بالقرب من بعضها البعض وتنتج مزيدًا من الحرارة. ولا تكفي المساحة الصغيرة لسطح المكونات لتبريدها. كما أن العديد من المكونات المثبتة على السطح، مثل QFP و BGA نقل الحرارة إلى لوحة الدوائر المطبوعة. لذا، فإن الحل الأمثل هو تحسين قدرة لوحة الدوائر المطبوعة نفسها على التخلص من الحرارة. دع لوحة الدوائر المطبوعة توصل الحرارة أو تطلقها.
اختيار حزمة الأجزاء
- عند التخطيط للتصميم الحراري، اقرأ بيانات العبوة ومواصفات التوصيل الحراري الخاصة بها.
- تأمين مسار حراري جيد بين الحزمة واللوحة.
- تجنب وجود فجوات هوائية في المسار الحراري. وفي حال وجود فجوات، قم بسدها بمواد عازلة للحرارة.
12. الفكرة الأساسية: تقليل المقاومة الحرارية إلى أدنى حد ممكن
يتمثل التصميم الحراري في تقليل المقاومة الحرارية إلى أدنى حد ممكن. استخدم الاستراتيجيات التالية:
- مقاومة توصيل أقل: نحاس أكثر سمكًا، ومواد أساسية ذات خصائص حرارية عالية.
- تقصير مسارات الحرارة: استخدم ثقوب التوصيل التي تصل مباشرة إلى مبددات الحرارة أو الأسطح النحاسية الداخلية.
- زيادة المساحة السطحية: توسيع مسارات صب النحاس وإضافة ريش تبريد.
- تحسين التبادل الحراري: استخدم التبريد بالهواء القسري أو التبريد بالسائل.
في التصميمات الفعلية، يجب عليك تحقيق التوازن بين التكلفة والمساحة وقابلية التصنيع. جرب العديد من الخيارات واستخدم المحاكاة لكل منها. أما بالنسبة للنماذج الأولية، فاترك عدة خيارات للتبريد على اللوحة. ومن الأمثلة على ذلك: فتحات لتركيب المبدد الحراري، ونقاط اختبار المزدوجات الحرارية، وموصل المروحة. فهذا يجعل عملية الضبط أسهل.
13. ملاحظات ختامية
يعتمد التصميم الحراري الجيد على كل من قواعد التخطيط واختيار اللوحات. يجب توخي الدقة في وضع المكونات، واستخدام مسارات نحاسية عريضة، ومصفوفات الثقوب، ومواد واجهة جيدة. قم بإجراء الاختبارات باستخدام المحاكاة الحرارية والنماذج الأولية الفعلية. حافظ على درجات حرارة وصلات المكونات أقل بكثير من الحدود المحددة في ورقة البيانات. خطط لوضع نقاط الصيانة والاختبار. فهذا يقلل من المخاطر ويحافظ على سلامة المنتج وموثوقيته.
