Για τους ανθρώπους, ένα πολύ ζεστό σώμα τους αρρωσταίνει. Για τα ηλεκτρονικά, τα εξαρτήματα παρουσιάζουν βλάβη όταν ζεσταίνονται πολύ. Η αξιοπιστία τους μειώνεται. Επομένως, είναι πολύ σημαντικό να ψύχετε καλά τις πλακέτες κυκλωμάτων.
Στον θερμικό σχεδιασμό, η πλακέτα είναι ο κύριος φορέας θερμότητας. Η θερμότητα σε μια πλακέτα PCB προέρχεται από τρία σημεία:
- Θερμότητα από ηλεκτρονικά μέρη.
- Θερμότητα από την ίδια την πλακέτα.
- Θερμότητα που προέρχεται από άλλα μέρη του συστήματος.
Μεταξύ αυτών των τριών, η θερμότητα από τα μέρη είναι η μεγαλύτερη. Είναι η κύρια πηγή θερμότητας. Ακολουθεί η θερμότητα που παράγεται από την πλακέτα. Η θερμότητα που προέρχεται από το εξωτερικό εξαρτάται από τον θερμικό σχεδιασμό ολόκληρου του συστήματος.
Στον πραγματικό σχεδιασμό PCB, οι μηχανικοί πρέπει να σκεφτούν πολλά στοιχεία ψύξης. Αυτά περιλαμβάνουν το υλικό της πλακέτας, την επιλογή εξαρτημάτων και τη διάταξη εξαρτημάτων. Παρακάτω επικεντρώνομαι στην ψύξη στην Διάταξη PCB στάδιο.
1. Γιατί η ψύξη PCB έχει σημασία
Η βελτιστοποίηση της ψύξης στη σχεδίαση PCB είναι το κλειδί για να διατηρούνται οι συσκευές αξιόπιστες και να διαρκούν. Πρέπει να σκεφτείτε ταυτόχρονα τη διάταξη, τη δρομολόγηση, το υλικό και τη δομή. Ακολουθούν συστηματικές στρατηγικές ψύξης.
2. Βελτιστοποίηση υλικών και συστοιχιών
Βασικά υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας
- Χρησιμοποιήστε υψηλής θερμικής απόδοσης FR-4 με υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (για παράδειγμα ≥ 1,0 W/m-K) ή χρησιμοποιήστε πλακέτες με μεταλλικό πυρήνα.
- Οι σανίδες αλουμινίου έχουν θερμική αγωγιμότητα περίπου 5 έως 10 W/m-K.
- Για σκηνές υψηλής συχνότητας, σκεφτείτε τις κεραμικές πλακέτες. Το Al₂O₃ έχει περίπου 24 W/m-K. Το AlN έχει περίπου 180 W/m-K.
Στρατηγική πάχους χαλκού
- Χρησιμοποιήστε παχύτερο χαλκό για τα επίπεδα τροφοδοσίας και γείωσης. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήστε 2 oz (περίπου 70 μm) ή μεγαλύτερο πάχος.
- Για διαδρομές υψηλού ρεύματος, προσθέστε τοπικό πάχος χαλκού 3 έως 6 oz.
3. Συμβουλές ψύξης διάταξης
Κανόνες διάταξης μέρους
- Τοποθετήστε τα καυτά εξαρτήματα (MOSFET ισχύος, ρυθμιστές τάσης, ολοκληρωμένα κυκλώματα οδήγησης) απλωμένα. Μην αφήνετε τη θερμότητα να συσσωρεύεται σε ένα σημείο.
- Κρατήστε τα ευαίσθητα μέρη (κρύσταλλοι, ADC) τουλάχιστον 5 mm μακριά από πηγές θερμότητας. Εάν χρειάζεται, προσθέστε υποδοχές θερμικής απομόνωσης.
- Τοποθετήστε εξαρτήματα υψηλής ισχύος κοντά στις άκρες της πλακέτας ή κοντά σε σημεία όπου μπορεί να τοποθετηθεί ψύκτρα.
Σχεδιασμός θερμικού καναλιού
Ένα καλό παράδειγμα θερμικής διαδρομής:
[Ενεργειακό ολοκληρωμένο κύκλωμα] → [Συστοιχία θερμικών οπών] → [Εσωτερικό χάλκινο επίπεδο] → [Θερμικό μαξιλάρι στην άκρη της πλακέτας]
↘ [Εξωτερική ψύκτρα]
Η διαδρομή δείχνει τη θερμότητα από το ολοκληρωμένο κύκλωμα προς τα vias, στη συνέχεια προς τον εσωτερικό χαλκό, στη συνέχεια προς την άκρη της πλακέτας ή προς μια εξωτερική ψύκτρα.
4. Χαλκός Pour και Ενισχύσεις θερμότητας χαλκού
Βελτιστοποίηση χύτευσης χαλκού
- Δημιουργήστε στερεές περιοχές χαλκού κάτω από τα μέρη ισχύος. Κάντε την περιοχή χαλκού τουλάχιστον τριπλάσια της περιοχής του εξαρτήματος.
- Χρησιμοποιήστε σχήματα χαλκού από πλέγμα όταν είναι δυνατόν. Το πλέγμα μειώνει τη θερμική καταπόνηση. Συνδέστε το πλέγμα με πολλά vias.
Ειδικές δομές χαλκού
- Χρησιμοποιήστε μαξιλάρια θερμικής ανακούφισης σε διαμπερή ή κλειδιά για να αποφύγετε τις ψυχρές ενώσεις συγκόλλησης.
- Για περιοχές πολύ υψηλής ισχύος, χρησιμοποιήστε την τεχνολογία χάλκινων ενθέτων. Αυτό τοποθετεί ένα συμπαγές μπλοκ χαλκού στην πλακέτα.
5. Via Matrix για τη μεταφορά θερμότητας
Σχεδιασμός συστοιχίας μέσω
- Χρήση μέσω συστοιχιών κάτω από πηγές θερμότητας. Τυπικό μέγεθος οπής μέσω: 0,3 ± 0,05 mm. Αυτό το μέγεθος εξισορροπεί τη μεταφορά θερμότητας και την κατασκευασιμότητα.
- Βήμα διαύλου: 1,5 έως 2 φορές τη διάμετρο του διαύλου. Οι συστοιχίες πρέπει να είναι τουλάχιστον 5 × 5 σε κλίμακα.
- Σχήμα πλήρωσης:
- Προηγούμενο κόστος: χρησιμοποιήστε vias γεμισμένα με ρητίνη.
- Για καλύτερη θερμική μεταφορά: χρησιμοποιήστε ηλεκτρολυτικά γεμισμένα vias. Αυτό μπορεί να αυξήσει τη θερμική μεταφορά πάνω από 40%.
Μέσω της στρατηγικής σύνδεσης
- Για πολυστρωματικές πλακέτες, πραγματοποιήστε διακλαδώσεις μέσω όλων των επιπέδων τροφοδοσίας και γείωσης.
- Για πλακέτες με μία όψη, προσθέστε νησίδες χαλκού και ομάδες συνδέσμων στο πίσω μέρος για να βοηθήσετε την απομάκρυνση της θερμότητας.
6. Εξωτερική ψύξη και ενσωμάτωση σε επίπεδο πλακέτας
Ενσωμάτωση ψύξης σε επίπεδο σκάφους
- Αφήστε τις οπές για την τοποθέτηση της ψύκτρας. Χρησιμοποιήστε βίδες M3 με διάκενο 1 mm.
- Δημιουργήστε παράθυρα κάτω από τα τμήματα ισχύος στη μάσκα συγκόλλησης (μάσκα συγκόλλησης καθορισμένο παράθυρο) για τη βελτίωση της θερμικής διεπαφής.
Επιλογή υλικού διεπαφής
| Τύπος υλικού | Θερμική αγωγιμότητα (W/m-K) | Περίπτωση χρήσης |
|---|---|---|
| Θερμικό γράσο | 1 - 5 | Συμπλήρωση μικρών κενών (< 0,1 mm) |
| Θερμικά μαξιλάρια | 3 - 12 | Μεσαία κενά (0,2 - 1 mm) |
| Υλικό αλλαγής φάσης | 5 - 8 | Αυτόματο γέμισμα ανώμαλων επιφανειών |
| Υγρό μέταλλο | 15 - 80 | Περιπτώσεις πολύ υψηλής πυκνότητας ισχύος |
Επιλέξτε το υλικό διεπαφής ανάλογα με το μέγεθος του διακένου και την πυκνότητα ισχύος.
7. Σχεδιασμός ψύξης με εξαναγκασμένο αέρα
Διάταξη για να ταιριάζει με τη ροή αέρα
- Ευθυγραμμίστε τα θερμαντικά μέρη προς την κατεύθυνση ροής του αέρα. Αυτό εμποδίζει την υπερθέρμανση των εξαρτημάτων που βρίσκονται κατάντη της ροής.
- Αφήστε τουλάχιστον 3 mm ελεύθερης διαδρομής αέρα γύρω από τα ψηλά μέρη.
- Προσθέστε αγωγούς σε επίπεδο πλακέτας για να κατευθύνετε τη ροή του αέρα και να βελτιώσετε τις διαδρομές ψύξης.
8. Θερμική προσομοίωση και επαλήθευση
Ροή προσομοίωσης
Χρησιμοποιήστε τα ακόλουθα βήματα:
- Κατασκευάστε ένα τρισδιάστατο μοντέλο.
- Ορισμός θερμικών οριακών συνθηκών.
- Εκτελέστε ανάλυση σταθερής κατάστασης ή μεταβατική ανάλυση.
- Οπτικοποιήστε το πεδίο θερμοκρασίας.
- Ελέγξτε αν κάποιο σημείο θερμότητας είναι πάνω από 85 °C.
- Εάν ναι, βελτιστοποιήστε τη διάταξη και την ψύξη.
- Εάν όχι, εξάγετε την έκθεση θερμικού κινδύνου.
Κοινά εργαλεία: FloTHERM XT, Simcenter FLOEFD.
9. Σημειώσεις διαδικασίας και φροντίδα κατασκευής
Αξιοπιστία συγκόλλησης
- Αποφύγετε την τοποθέτηση θερμικών οπών απευθείας στο κέντρο των μαξιλαριών. Χρησιμοποιήστε αντ' αυτού διασταυρωμένα μοτίβα θερμικής ανακούφισης.
- Για την κυματοσυγκόλληση, γεμίστε ή καλύψτε τις θερμικές οπές στην πλευρά του εξαρτήματος για να αποφύγετε τη ροή του συγκολλητικού.
Έλεγχος θερμικής καταπόνησης
- Χρησιμοποιήστε υλικά με υψηλή Tg (Tg ≥ 170 °C) για να ανταποκριθείτε στις θερμοκρασίες συγκόλλησης επαναρροής.
- Οι μεγάλες ζώνες χαλκού πρέπει να εξισορροπούνται και στις δύο πλευρές για να αποφευχθεί η στρέβλωση της πλακέτας.
10. Βασικοί κανόνες σχεδιασμού
- Εάν η πυκνότητα ισχύος είναι > 0,05 W/cm², πρέπει να γίνει ειδικός θερμικός σχεδιασμός.
- Διατηρήστε τη θερμοκρασία κόμβου του εξαρτήματος (T_j) κάτω από το όριο που αναφέρεται στο φύλλο δεδομένων 80%.
- Για πολύπλοκα τσιπ, όπως οι CPUs και οι FPGAs, χρησιμοποιήστε ένα μοντέλο πίνακα θερμικής αντίστασης:
T_j = T_a + Σ(P_i × θ_ji)
Όπου T_j είναι η θερμοκρασία σύνδεσης, T_a είναι το περιβάλλον, P_i είναι η ισχύς της πηγής i και θ_ji είναι η θερμική αντίσταση από την πηγή i στη σύνδεση j. Βρείτε τη θ_ji από το φύλλο δεδομένων του τσιπ.
11. Ψύξη μέσω της ίδιας της πλακέτας PCB
Τα κοινά υλικά βάσης PCB είναι εποξειδικό υαλοΰφασμα με επένδυση χαλκού ή φαινολικό υαλοΰφασμα. Υπάρχουν λίγες πλακέτες που χρησιμοποιούν πλακέτες με χάλκινη επένδυση με βάση το χαρτί. Αυτά τα υλικά έχουν καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και ιδιότητες επεξεργασίας, αλλά δεν άγουν καλά τη θερμότητα. Για θερμά εξαρτήματα, δεν μπορείτε να βασιστείτε στη ρητίνη της πλακέτας PCB για τη μεταφορά της θερμότητας. Η θερμότητα πρέπει να περάσει από την επιφάνεια του εξαρτήματος στον αέρα.
Σήμερα, τα ηλεκτρονικά είναι πιο συμπαγή. Τα μέρη βρίσκονται κοντά μεταξύ τους και παράγουν περισσότερη θερμότητα. Η μικρή επιφάνεια των εξαρτημάτων δεν είναι αρκετή για την ψύξη των εξαρτημάτων. Επίσης, πολλά εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης, όπως τα QFP και BGA περνούν θερμότητα στο PCB. Έτσι, η καλύτερη λύση είναι να βελτιωθεί η ικανότητα της ίδιας της πλακέτας να μεταφέρει τη θερμότητα μακριά. Αφήστε το PCB να διοχετεύσει ή να εκπέμψει τη θερμότητα.
Επιλογή πακέτου εξαρτημάτων
- Όταν σχεδιάζετε τον θερμικό σχεδιασμό, διαβάστε τα δεδομένα της συσκευασίας και τις προδιαγραφές θερμικής αγωγιμότητας.
- Παρέχετε μια καλή θερμική διαδρομή μεταξύ της συσκευασίας και της πλακέτας.
- Αποφύγετε τα κενά αέρα στη θερμική διαδρομή. Εάν υπάρχουν κενά, γεμίστε τα με θερμικά υλικά.
12. Η βασική ιδέα: Ελαχιστοποίηση της θερμικής αντίστασης
Ο θερμικός σχεδιασμός αφορά την όσο το δυνατόν μικρότερη θερμική αντίσταση. Χρησιμοποιήστε αυτές τις τακτικές:
- Χαμηλότερη αντίσταση αγωγιμότητας: παχύτερος χαλκός, υλικά υψηλής θερμικής βάσης.
- Συντομεύστε τις διαδρομές θερμότητας: χρησιμοποιήστε vias που πηγαίνουν κατευθείαν σε ψύκτρες ή εσωτερικά επίπεδα χαλκού.
- Αύξηση της επιφάνειας: επεκτείνετε τις χάλκινες γούβες και προσθέστε πτερύγια.
- Βελτίωση της ανταλλαγής θερμότητας: χρήση εξαναγκασμένης ψύξης με αέρα ή υγρό.
Στα πραγματικά σχέδια, πρέπει να εξισορροπήσετε το κόστος, τον χώρο και την κατασκευασιμότητα. Δοκιμάστε πολλές επιλογές και χρησιμοποιήστε προσομοίωση για κάθε μία. Στα πρωτότυπα, αφήστε αρκετές επιλογές ψύξης στην πλακέτα. Παραδείγματα: οπές για την τοποθέτηση ψύκτρων, σημεία δοκιμής θερμοστοιχείων και σύνδεσμο ανεμιστήρα. Αυτό διευκολύνει τον συντονισμό.
13. Τελικές σημειώσεις
Ο καλός θερμικός σχεδιασμός χρησιμοποιεί τόσο τους κανόνες διάταξης όσο και τις επιλογές της πλακέτας. Χρησιμοποιήστε προσεκτική τοποθέτηση εξαρτημάτων, φαρδύ χαλκό, συστοιχίες via και καλά υλικά διεπαφής. Δοκιμάστε με θερμική προσομοίωση και με πραγματικά πρωτότυπα. Διατηρήστε τις θερμοκρασίες σύνδεσης των εξαρτημάτων πολύ κάτω από τα όρια του δελτίου δεδομένων. Προγραμματίστε τα σημεία σέρβις και δοκιμής. Αυτό μειώνει τον κίνδυνο και διατηρεί το προϊόν ασφαλές και αξιόπιστο.
