برای انسانها، بدنی که بیش از حد داغ باشد، آنها را بیمار میکند. برای قطعات الکترونیکی، وقتی بیش از حد داغ شوند، از کار میافتند. قابلیت اطمینان آنها کاهش مییابد. بنابراین، خنک کردن خوب بردهای مدار بسیار مهم است.
در طراحی حرارتی، برد مدار چاپی (PCB) حامل اصلی گرما است. گرما در یک برد مدار چاپی از سه منبع تأمین میشود:
- گرما از قطعات الکترونیکی.
- گرما از خود برد مدار چاپی.
- گرمایی که از سایر بخشهای سیستم میآید.
در میان این سه، گرمای قطعات بیشترین مقدار را دارد. این منبع اصلی گرما است. در رتبه بعدی گرمای تولیدشده توسط برد مدار چاپی قرار دارد. گرمای ورودی از خارج به طراحی حرارتی کل سیستم بستگی دارد.
در طراحی واقعی برد مدار چاپی، مهندسان باید به موارد متعددی برای خنکسازی فکر کنند. این موارد شامل جنس برد، انتخاب قطعات و چیدمان قطعات هستند. در ادامه من بر خنکسازی در چیدمان برد مدار چاپی صحنه.
۱. چرا خنکسازی PCB اهمیت دارد
بهینهسازی خنکسازی در طراحی برد مدار چاپی (PCB) کلید حفظ قابلیت اطمینان قطعات و افزایش طول عمر آنهاست. باید همزمان به چیدمان، مسیریابی، مواد و ساختار فکر کنید. در ادامه استراتژیهای سیستماتیک خنکسازی آمده است.
۲. بهینهسازی مواد و چیدمان لایهها
مواد پایه با رسانایی حرارتی بالا
- از FR-4 با ضریب حرارتی بالا و رسانایی حرارتی بیشتر (برای مثال ≥ 1.0 وات بر متر کلوین) استفاده کنید یا از بردهای با هسته فلزی بهره ببرید.
- نوارهای کفپوش آلومینیومی ضریب هدایت گرمایی حدود ۵ تا ۱۰ وات بر متر کلوین دارند.
- برای صحنههای فرکانس بالا، صفحات سرامیکی را در نظر بگیرید. Al₂O₃ دارای ضریب هدایت گرمایی حدود ۲۴ وات بر مترکلوین است. AlN دارای ضریب هدایت گرمایی حدود ۱۸۰ وات بر مترکلوین است.
استراتژی ضخامت مس
- برای پلنهای تغذیه و زمین از مس ضخیمتر استفاده کنید. برای مثال، از ۲ اونس (حدود ۷۰ میکرومتر) یا ضخیمتر استفاده کنید.
- برای مسیرهای جریان بالا، ضخامت مس موضعی را بین ۳ تا ۶ اونس اضافه کنید. از طراحی مس پلهای استفاده کنید.
۳. نکات خنکسازی چیدمان
قوانین چیدمان بخش
- قطعات داغ (MOSFETهای قدرت، رگولاتورهای ولتاژ، آیسیهای درایور) را بهصورت پراکنده قرار دهید. اجازه ندهید گرما در یک نقطه انباشته شود.
- قطعات حساس (کریستالها، ADCها) را حداقل ۵ میلیمتر از منابع حرارتی دور نگه دارید. در صورت نیاز، شکافهای عایق حرارتی اضافه کنید.
- قطعات پرقدرت را نزدیک لبههای برد یا نزدیک محلهایی که میتوان هیتسینک را نصب کرد قرار دهید.
طراحی کانال حرارتی
یک مثال خوب از مسیر حرارتی:
[IC قدرت] ← [مجموعه ویای حرارتی] ← [پلن مس داخلی] ← [پد حرارتی لبه برد]
↘ [هیتسینک خارجی]
مسیر گرما را از آیسی به ویاسها، سپس به مسی داخلی و بعد به لبه برد یا هیتسینک خارجی منتقل میکند.
۴. بهبودهای ریختن و حرارتدهی مس
بهینهسازی ریختهگری مس
- زیر قطعات تحت ولتاژ، نواحی مس خالص ایجاد کنید. مساحت ناحیه مس را حداقل سه برابر مساحت قطعه در نظر بگیرید.
- در صورت امکان از اشکال مسی توری استفاده کنید. توری تنش حرارتی را کاهش میدهد. توری را با ویایهای متعدد متصل کنید.
ساختارهای ویژهٔ مسی
- برای جلوگیری از ایجاد اتصالات لحیم سرد، از پدهای حرارتی در سوراخهای عبوری یا پدهای کلیدی استفاده کنید.
- برای نواحی با توان بسیار بالا، از فناوری درج مس استفاده کنید. این فناوری یک بلوک جامد مس را در برد قرار میدهد.
۵. ماتریس انتقال حرارت
طراحی آرایه
- از آرایههای ویای زیر منابع حرارتی استفاده کنید. ابعاد معمول سوراخ ویای: ۰٫۳ ± ۰٫۰۵ میلیمتر. این اندازه انتقال حرارت و قابلیت ساخت را متعادل میکند.
- فاصله بین ویاس: ۱٫۵ تا ۲ برابر قطر ویای. آرایهها باید حداقل ۵ × ۵ باشند.
- طرح پر کردن:
- هزینه قبلی: استفاده از ویای پرشده با رزین.
- برای بهترین انتقال حرارتی: از ویای پرشده با آبکاری الکتریکی استفاده کنید. این میتواند انتقال حرارتی را بیش از ۴۰۱TP3T افزایش دهد.
از طریق استراتژی اتصال
- برای بردهای چندلایه، ویاسها را طوری قرار دهید که از تمام پلنهای تغذیه و زمین عبور کنند.
- برای بردهای یکرو، جزایر مسی و گروههای ویای پشت برد را اضافه کنید تا گرما بهتر خارج شود.
۶. خنکسازی خارجی و یکپارچهسازی در سطح برد
یکپارچهسازی خنککنندگی در سطح برد
- برای نصب هیتسینک، سوراخهایی باقی بگذارید. از پیچهای M3 با فاصلهٔ ۱ میلیمتر استفاده کنید.
- پنجرههایی در نواحی قطعات تحتقدرت روی ماسک لحیم ایجاد کنیدماسک لحیمکاری (پنجرهٔ تعریفشده) برای بهبود رابط حرارتی.
انتخاب مادهٔ رابط
| نوع مواد | هدایت حرارتی (وات بر متر بر کلوین) | مورد استفاده |
|---|---|---|
| خمیر حرارتی | ۱ – ۵ | پر کردن شکافهای کوچک (< 0.1 میلیمتر) |
| پدهای حرارتی | ۳ – ۱۲ | فاصلههای متوسط (۰٫۲ – ۱ میلیمتر) |
| ماده تغییر فازی | پنج – هشت | پر کردن خودکار سطوح ناهموار |
| فلز مایع | ۱۵ – ۸۰ | موارد با چگالی توان بسیار بالا |
مواد رابط را متناسب با اندازه شکاف و چگالی توان انتخاب کنید.
۷. طراحی خنککنندهی هوای اجباری
چیدمان متناسب با جریان هوا
- قطعات حرارتی را در جهت جریان هوا همراستا کنید. این کار از داغ شدن بیش از حد قطعات پاییندستی جلوگیری میکند.
- حداقل ۳ میلیمتر مسیر هوای آزاد اطراف قسمتهای مرتفع باقی بگذارید.
- کانالهایی در سطح برد اضافه کنید تا جریان هوا را هدایت کرده و مسیرهای خنککنندگی را بهبود بخشید.
۸. شبیهسازی و اعتبارسنجی حرارتی
جریان شبیهسازی
از مراحل زیر استفاده کنید:
- یک مدل سهبعدی بسازید.
- شرایط مرزی حرارتی را تنظیم کنید.
- تحلیل حالت ماندگار یا گذرا را اجرا کنید.
- میدان دما را تجسم کنید.
- بررسی کنید که آیا دمای هیچ نقطه داغی از ۸۵ درجه سانتیگراد بیشتر است.
- اگر بله، چیدمان و سیستم خنککنندگی را بهینهسازی کنید.
- اگر نه، گزارش ریسک حرارتی را خروجی بگیرید.
ابزارهای مشترک: ANSYS Icepak، FloTHERM XT، Simcenter FLOEFD.
۹. یادداشتهای فرآیند و مراقبت از تولید
قابلیت اطمینان لحیمکاری
- از قرار دادن ویای حرارتی بهطور مستقیم در مرکز پدها خودداری کنید. بهجای آن از الگوهای تخفیف حرارتی متقاطع استفاده کنید.
- برای لحیمکاری موج، ویاسهای حرارتی را در سمت قطعه پر یا ماسک کنید تا لحیم از آنها عبور نکند.
کنترل تنش حرارتی
- برای رسیدن به دمای لحیمکاری با جریان حرارت بالا، از مواد با دمای انتقال شیشهای (Tg) ≥ 170 درجه سانتیگراد استفاده کنید.
- منطقههای بزرگ مسی باید در دو طرف تراز شوند تا از تابخوردن برد جلوگیری شود.
۱۰. قواعد کلیدی طراحی
- اگر تراکم توان بیش از ۰٫۰۵ وات بر سانتیمتر مربع باشد، باید طراحی حرارتی ویژه انجام دهید.
- دمای اتصال قطعه (T_j) را کمتر از 80% حد مجاز در دیتاشیت نگه دارید.
- برای تراشههای پیچیدهای مانند CPUها و FPGAها، از مدل ماتریس مقاومت حرارتی استفاده کنید:
T_j = T_a + Σ(P_i × θ_ji)
جایی که T_j دمای اتصال، T_a دمای محیط، P_i توان منبع i و θ_ji مقاومت حرارتی از منبع i به اتصال j است. θ_ji را از دیتاشیت چیپ بهدست آورید.
۱۱. خنکسازی از طریق خود PCB
مواد پایهٔ رایج در PCB عبارتند از پارچهٔ شیشهای اپوکسی با روکش مس یا پارچهٔ شیشهای فنولی. چند برد هم هستند که از صفحات روکشدار مسی مبتنی بر کاغذ استفاده میکنند. این مواد خواص الکتریکی و پردازشی خوبی دارند، اما در انتقال حرارت عملکرد مناسبی ندارند. برای قطعات داغ، نمیتوان به رزین PCB برای انتقال حرارت اتکا کرد. حرارت باید از سطح قطعه به هوا منتقل شود.
امروزه قطعات الکترونیکی جمعوجورتر شدهاند. قطعات در کنار هم قرار دارند و گرمای بیشتری تولید میکنند. مساحت سطح قطعات کوچک برای خنکسازی آنها کافی نیست. همچنین، بسیاری از قطعات سطحی مانند QFP و BGA حرارت را به برد مدار چاپی منتقل کنید. بنابراین بهترین راهحل بهبود توانایی خود برد در انتقال حرارت است. بگذارید برد مدار چاپی حرارت را هدایت یا منتشر کند.
بخش انتخاب بسته
- هنگام برنامهریزی طراحی حرارتی، دادههای بسته و مشخصات هدایت حرارتی آن را مطالعه کنید.
- یک مسیر حرارتی مناسب بین بسته و برد فراهم کنید.
- از وجود شکافهای هوایی در مسیر حرارتی خودداری کنید. اگر شکافی وجود دارد، آن را با مواد حرارتی پر کنید.
۱۲. ایده اصلی: به حداقل رساندن مقاومت حرارتی
طراحی حرارتی به معنای کوچک کردن مقاومت حرارتی تا حد امکان است. از این تاکتیکها استفاده کنید:
- مقاومت هدایت پایینتر: مس ضخیمتر، مواد پایه حرارتی با ضریب بالا.
- مسیرهای حرارتی را کوتاه کنید: از ویاسهایی استفاده کنید که مستقیماً به هیتسینکها یا پلنهای مسی داخلی متصل شوند.
- افزایش سطح تماس: گسترش ریختهگریهای مس و افزودن پرهها.
- تبادل حرارتی را بهبود بخشید: از هوای اجباری یا خنککنندهی مایع استفاده کنید.
در طراحیهای واقعی باید بین هزینه، فضا و قابلیت ساخت تعادل برقرار کنید. گزینههای مختلف را امتحان کنید و برای هر یک از آنها شبیهسازی انجام دهید. روی نمونههای اولیه چند گزینه خنککنندگی را روی برد باقی بگذارید. مثالها: سوراخهایی برای نصب هیتسینک، نقاط تست ترموکوپل و کانکتور فن. این کار تنظیم را آسانتر میکند.
۱۳. یادداشتهای پایانی
طراحی حرارتی مناسب از هر دو قواعد چیدمان و انتخاب برد بهره میبرد. در جایگذاری قطعات دقت کنید، از مس پهن و آرایههای ویا استفاده کنید و از مواد رابط مناسب بهره ببرید. با شبیهسازی حرارتی و نمونههای واقعی تست کنید. دمای اتصال قطعات را بهطور قابلتوجهی پایینتر از محدودههای دادهنامه نگه دارید. برای سرویس و نقاط تست برنامهریزی کنید. این کار ریسک را کاهش داده و محصول را ایمن و قابلاعتماد نگه میدارد.
