Liian kuuma keho sairastuttaa ihmisiä. Elektroniikan osat vioittuvat, kun ne kuumenevat liikaa. Niiden luotettavuus heikkenee. Siksi on erittäin tärkeää jäähdyttää piirilevyjä hyvin.
Lämpösuunnittelussa piirilevy on lämmön pääasiallinen kantaja. Piirilevyn lämpö tulee kolmesta paikasta:
- Elektronisten osien lämpö.
- Itse piirilevyn lämpö.
- Järjestelmän muista osista tuleva lämpö.
Näistä kolmesta osasta lämpö on suurin. Se on tärkein lämmönlähde. Seuraavana on piirilevyn tuottama lämpö. Ulkopuolelta tuleva lämpö riippuu koko järjestelmän lämpösuunnittelusta.
Todellisessa piirilevysuunnittelussa insinöörien on mietittävä monia jäähdytyskohteita. Näihin kuuluvat levymateriaali, osien valinta ja osien asettelu. Seuraavassa keskityn jäähdytykseen PCB-asettelu vaiheessa.
1. Miksi PCB-jäähdytyksellä on merkitystä
Jäähdytyksen optimointi piirilevysuunnittelussa on avainasemassa, jotta laitteet pysyvät luotettavina ja kestävät. Sinun on ajateltava ulkoasua, reititystä, materiaalia ja rakennetta samanaikaisesti. Seuraavassa on esitetty järjestelmällisiä jäähdytysstrategioita.
2. Materiaalien ja pinoamisen optimointi
Korkean lämmönjohtavuuden perusmateriaalit
- Käytä korkealämpöisiä FR-4-levyjä, joiden lämmönjohtavuus on korkeampi (esimerkiksi ≥ 1,0 W/m-K), tai käytä metallisydänlevyjä.
- Alumiinisten sokkelilevyjen lämmönjohtavuus on noin 5-10 W/m-K.
- Korkean taajuuden kohtauksia varten kannattaa harkita keraamisia levyjä. Al₂O₃ on noin 24 W/m-K. AlN:llä on noin 180 W/m-K.
Kuparin paksuusstrategia
- Käytä paksumpaa kuparia virta- ja maatasoihin. Käytä esimerkiksi 2 oz (noin 70 μm) tai paksumpaa.
- Suuren virran reittejä varten lisää paikallista kuparin paksuutta 3-6 oz. Käytä porrastettua kuparirakennetta.
3. Asettelu Jäähdytysvihjeitä
Osien asettelusäännöt
- Sijoita kuumat osat (teho-MOSFETit, jännitteensäätimet, ohjain-IC:t) hajautetusti. Älä anna lämmön kerääntyä yhteen paikkaan.
- Pidä herkät osat (kiteet, ADC:t) vähintään 5 mm:n päässä lämmönlähteistä. Lisää tarvittaessa lämpöeristysrakoja.
- Laita suuritehoiset osat lähelle piirilevyn reunoja tai lähelle paikkoja, joihin jäähdytyselementti voi kiinnittyä.
Lämpökanavan suunnittelu
Hyvä esimerkki lämpöreitistä:
[Power IC] → [Array of thermal vias] → [Inner copper plane] → [Board edge thermal pad]
↘ [External heatsink]
Polku osoittaa lämmön IC:stä läpivientiin, sitten sisäiseen kupariin, sitten ulos piirilevyn reunaan tai ulkoiseen jäähdytyselementtiin.
4. Kuparikaadot ja kuparilämpöparannukset
Kuparin valun optimointi
- Luo kiinteitä kuparialueita teho-osien alle. Tee kuparialueesta vähintään kolminkertainen osan pinta-alaan nähden.
- Käytä mahdollisuuksien mukaan verkkomuotoisia kuparimuotoja. Verkko vähentää lämpörasitusta. Yhdistä verkko monilla läpivienneillä.
Erityiset kuparirakenteet
- Käytä lämpöerotustyynyjä läpireikäisissä tai avaintyynyissä kylmien juotosliitosten välttämiseksi.
- Erittäin suuritehoisilla alueilla on käytettävä kupari-inlay-tekniikkaa. Tällöin levyssä on kiinteä kuparilohko.
5. Lämmönsiirron matriisi
Via array -suunnittelu
- Käytä lämpölähteiden alla olevien matriisien kautta. Tyypillinen reikäkoko: 0,3 ± 0,05 mm. Tämä koko tasapainottaa lämmönsiirtoa ja valmistettavuutta.
- Läpivientien jako: 1,5-2 kertaa läpiviennin halkaisija. Ryhmien on oltava vähintään 5 × 5 kokoisia.
- Täyttöjärjestelmä:
- Kustannusennuste: käytä hartsitäytteisiä läpivientejä.
- Paras lämmönsiirto: käytä galvanoituja täytettyjä läpivientejä. Tämä voi lisätä lämmönsiirtoa yli 40%.
Yhteysstrategian kautta
- Monikerroksisissa levyissä läpiviennit on tehtävä kaikkien virta- ja maatasojen läpi.
- Yksipuolisissa levyissä lisää kuparisaarekkeita ja läpivientiryhmiä takaosaan, jotta lämpö siirtyy paremmin ulos.
6. Ulkoinen jäähdytys ja integrointi piirilevytasolla
Jäähdytyksen integrointi piirilevytasolla
- Jätä reiät jäähdytyselementin kiinnitystä varten. Käytä M3-ruuveja, joiden välys on 1 mm.
- Tee ikkunat juotosmaskin teho-osien alle (juotosmaski määritelty ikkuna) lämpörajapinnan parantamiseksi.
Rajapintamateriaalin valinta
| Materiaalin tyyppi | Lämmönjohtavuus (W/m-K) | Käyttötapaus |
|---|---|---|
| Lämpörasva | 1 - 5 | Pienten aukkojen täyttäminen (< 0,1 mm) |
| Lämpötyynyt | 3 - 12 | Keskikokoiset raot (0,2 - 1 mm) |
| Vaiheenmuutosmateriaali | 5 - 8 | Automaattinen täyttö epätasaisilla pinnoilla |
| Nestemäinen metalli | 15 - 80 | Erittäin suuren tehotiheyden tapaukset |
Valitse rajapintamateriaali vastaamaan rakokokoa ja tehotiheyttä.
7. Pakotetun ilman jäähdytyksen suunnittelu
Asettelu ilmavirran mukaan
- Kohdista lämpöosat ilmavirran suuntaan. Tämä estää virtaussuunnassa olevia osia ylikuumenemasta.
- Jätä vähintään 3 mm vapaata ilmatietä korkeiden osien ympärille.
- Lisää levytason kanavia ilmavirran ohjaamiseksi ja jäähdytysreittien parantamiseksi.
8. Lämpösimulointi ja verifiointi
Simuloinnin kulku
Noudata seuraavia ohjeita:
- Rakenna 3D-malli.
- Aseta termiset reunaehdot.
- Suorita tasaisen tilan tai transienttianalyysi.
- Visualisoi lämpötilakenttä.
- Tarkista, onko jokin kuumakohta yli 85 °C:n lämpötilassa.
- Jos kyllä, optimoi ulkoasu ja jäähdytys.
- Jos ei, tulosta lämpöriskiraportti.
Yleiset työkalut: Simcenter FLOEFD.
9. Prosessihuomautukset ja valmistusohjeet
Juotoksen luotettavuus
- Vältä lämpöläpivientien sijoittamista suoraan tyynyjen keskelle. Käytä sen sijaan ristikkäisiä lämpöerotuskuvioita.
- Aaltojuottamista varten täytä tai peitä lämpöläpiviennit komponenttipuolella, jotta juote ei pääse virtaamaan läpi.
Lämpöjännityksen hallinta
- Käytä korkean Tg:n materiaaleja (Tg ≥ 170 °C), jotta saavutetaan reflow-juotoslämpötilat.
- Suuret kuparivyöhykkeet on tasapainotettava molemmin puolin, jotta vältetään levyn vääntyminen.
10. Tärkeimmät suunnittelusäännöt
- Jos tehotiheys on > 0,05 W/cm², sinun on tehtävä erityinen lämpösuunnittelu.
- Pidä komponentin liitoslämpötila (T_j) alle 80%:n tietolehdessä esitetyn raja-arvon.
- Käytä monimutkaisten piirien, kuten suorittimien ja FPGA:iden, osalta lämpövastusmatriisimallia:
T_j = T_a + Σ(P_i × θ_ji)
Jossa T_j on liitoslämpötila, T_a on ympäristön lämpötila, P_i on lähteen i teho ja θ_ji on lämpöresistanssi lähteestä i liitokseen j. θ_ji saadaan sirun tietolehdestä.
11. Jäähdytys itse piirilevyn kautta
Yleiset piirilevyn pohjamateriaalit ovat kuparilla päällystetty epoksilasi- tai fenolilasi-kangas. On olemassa muutamia levyjä, joissa käytetään paperipohjaisia kuparipäällysteisiä levyjä. Näillä materiaaleilla on hyvät sähkö- ja käsittelyominaisuudet, mutta ne eivät johda hyvin lämpöä. Kuumien osien kohdalla ei voi luottaa siihen, että piirilevyhartsi siirtää lämpöä pois. Lämmön on siirryttävä osan pinnalta ilmaan.
Nykyään elektroniikka on entistä kompaktimpaa. Osat ovat lähellä toisiaan ja tuottavat enemmän lämpöä. Osien pieni pinta-ala ei riitä jäähdyttämään osia. Lisäksi monet pinta-asennettavat osat, kuten QFP- ja BGA siirtää lämpöä piirilevyyn. Paras ratkaisu on siis parantaa piirilevyn omaa kykyä siirtää lämpöä pois. Anna piirilevyn johtaa tai päästää lämpöä.
Osapaketin valinta
- Kun suunnittelet lämpösuunnittelua, lue pakkauksen tiedot ja sen lämmönjohtavuusominaisuudet.
- Huolehdi hyvästä lämpöreitistä pakkauksen ja levyn välillä.
- Vältä ilmarakoja lämpöreitillä. Jos rakoja on, täytä ne lämpömateriaaleilla.
12. Ydinajatus: Lämpöresistanssin minimointi
Lämpösuunnittelussa on kyse siitä, että lämpövastus on mahdollisimman pieni. Käytä näitä taktiikoita:
- Pienempi johtumisvastus: paksumpi kupari, korkealämpöiset perusmateriaalit.
- Lyhennä lämpöreittejä: käytä läpivientejä, jotka johtavat suoraan jäähdytyslevyihin tai sisäisiin kuparitasoihin.
- Pinta-alan lisääminen: laajenna kuparivaluja ja lisää lamelleja.
- Paranna lämmönvaihtoa: käytä pakotettua ilma- tai nestejäähdytystä.
Todellisessa suunnittelussa on tasapainotettava kustannuksia, tilaa ja valmistettavuutta. Kokeile monia vaihtoehtoja ja käytä simulointia jokaiselle. Jätä prototyypeissä useita jäähdytysvaihtoehtoja piirilevylle. Esimerkkejä: reiät jäähdytyselementin kiinnittämistä varten, lämpöparin testauspisteet ja tuuletinliitin. Tämä helpottaa virittämistä.
13. Lopulliset huomautukset
Hyvässä lämpösuunnittelussa käytetään sekä asettelusääntöjä että piirilevyvalintoja. Käytä huolellista osien sijoittelua, laajaa kuparia, läpivientirakenteita ja hyviä liitäntämateriaaleja. Testaa lämpösimuloinnilla ja todellisilla prototyypeillä. Pidä osien liitoslämpötilat reilusti alle datalehden raja-arvojen. Suunnittele huolto- ja testauspisteet. Tämä vähentää riskejä ja pitää tuotteen turvallisena ja luotettavana.
