PCB-Temperatur:Ein Leitfaden zum Umgang mit hohen Temperaturen

Während das Konzept der Leiterplatte bestimmte Grundlagen in seinem Design hat, die seit langem unverändert geblieben sind, hat sich eine Technologie, die sich auf Leiterplatten auswirkt, in den letzten Jahrzehnten schnell verändert. Ein Problem, das konstant bleibt, ist das Problem der PCB-Temperatur.

Die physische Form einer Leiterplatte besteht aus Leiterbahnen, Löchern, Schichten, Durchgangslöchern und Lötmasken. All diese Dinge können durch die PCB-Temperatur beeinflusst werden.

Ein Schneeballeffekt von Problemen kann auftreten, wenn die PCB-Temperaturen linear ansteigen. Wenn nicht aktiviert, wirkt sich dies negativ auf die Leistung der Leiterplatte aus.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über das Design von Hochtemperaturplatinen und wie Temperaturen mikrogesteuert werden können.

1. Ursachen für hohe PCB-Temperaturen

Der erste Schritt beim Mikromanagement besteht darin, die Quelle des erforderlichen Mikromanagements zu ermitteln. Die Leiterplattentemperatur ist da keine Ausnahme, und da Leiterplatten Wärme benötigen, um zu funktionieren, ist es zunächst notwendig, die Ursache für die hohe Temperatur der Leiterplatte zu ermitteln.

Eine hohe PCB-Temperatur kann zu Leistungsproblemen führen. Wenn die Ströme auf einer Leiterplatte zu stark sind, steigen die Temperaturen.

Es gibt drei verräterische Anzeichen für diese Anomalie.

Komponentenverlust

Es ist das erste Anzeichen dafür, dass die Temperaturen in einer Leiterplatte zu hoch ansteigen. Dabei ist zu beachten, dass die von einer Komponente erzeugte Wärme direkt proportional zum Laststrom ist, der durch diese Komponente fließt.

In diesem speziellen Fall tritt eine Komponentendissipation auf, wenn eine Komponente der Leiterplatte nicht die Art von Leistung erzeugt, die sie normalerweise erzeugt. Es bewirkt, dass andere Funktionen mehr Energie als gewöhnlich erzeugen, um die Verlustkomponente auszugleichen.

Wenn der Strom, der durch einen Widerstand fließt, inkonsistent ist, tragen der Kondensator und andere Hauptkomponenten der Leiterplatte eine größere Ladung als gewöhnlich, um dies auszugleichen.

Durchgangsloch

Eines der häufigsten Dinge, die eine Komponente mit Strom versorgen, ist der Kühlkörper. Kühlkörperkomponenten werden auch als Through-Hole-Komponenten bezeichnet.

Diese Komponenten erzeugen Wärme, indem sie Wärme an die Luft abgeben. Der Kühlkörper macht dies möglich, und eine Möglichkeit, die PCB-Temperaturen hier zu kontrollieren, besteht darin, zu sehen, ob der Kühlkörper richtig gelötet ist.

Wenn eine andere Komponente auf der Leiterplatte Durchgangslöcher oder Kühlkörper stört, führt dies dazu, dass die anderen Funktionen Überstunden machen, um mehr Wärme als nötig zu erzeugen.

SMD-Komponenten

SMD steht für „Oberflächenmontagegerät“. Es wird wie eine Durchgangslochkomponente mit einer Leiterplatte verbunden und ermöglicht einen reibungsloseren Stromfluss zwischen den Durchgangsloch- und Kühlkörperkomponenten.

In Bezug auf die Aufrechterhaltung der PCB-Temperaturen betrifft eines der häufigsten Probleme, denen man begegnen kann, die Position der Durchgangslochkomponenten auf der PCB relativ zu den SMD-Komponenten.

Wenn sie zu weit entfernt sind, kann es zu lange dauern, bis der Strom zu und von diesen Komponenten gelangt. Dies kann dazu führen, dass die Teile zu lange kühl bleiben, wodurch andere Mitglieder überhitzen. Wenn sie zu nahe beieinander liegen, wird die Temperatur ungewöhnlich hoch.

Viele dieser Informationen stammen von WellPCB, einer Organisation, die sich auf die Erforschung neuer Wege zum Mikromanagement von PCB-Temperaturen spezialisiert hat.

2. PCB-Temperaturübertragungskanäle

Eine gemeinsame Sache mit Temperaturen ist, dass sie niemals statisch sind. Die Temperaturen bleiben im Allgemeinen nie gleich. Es ist sich dessen bewusst, ebenso wie mehrere Kanäle der PCB-Temperaturübertragung.

Die Temperatur wird auf viele Arten beeinflusst, und eine der Möglichkeiten, wie Sie sowohl die allgemeine Temperatur in Ihrer Leiterplatte als auch in den Komponenten der Leiterplatte im Mikromanagement verwalten können, besteht darin, nicht nur diese Kanäle zu kennen, sondern auch, welche Teile der Leiterplatte welchen Kanal verwenden.

Strahlung

Wenn man von thermischer Energie in Form von elektromagnetischen Wellen spricht, spricht man von Strahlung. Strahlungswärme wird in der Regel passiv erzeugt, das heißt, Sie können die Temperatur nicht direkt durch Strahlung senken oder erhöhen.

Strahlungswärme hat einen fast vernachlässigbaren Einfluss auf die PCB-Temperatur.

Gleichzeitig ist es auch der Kanal, um den Sie sich wahrscheinlich am meisten Sorgen machen sollten. Das liegt daran, dass die PCB-Temperaturen auch durch thermische Energie beeinflusst werden.

Wenn es um die Temperatur geht, ist wirklich nichts zu vernachlässigen. Stellen Sie sich vor, was passieren würde, wenn ein Flugzeug nur um ein Grad vom Kurs abweichen würde. In diesem Fall landet es an einem anderen Ort als geplant, egal wie kurz die Entfernung sein könnte.

PCB-Temperaturen funktionieren auf die gleiche Weise. Wenn eine Leiterplatte eine Temperatur von 30 Grad Celsius haben muss, um optimal zu funktionieren, aber sehr lange bei 32 Grad bleibt, werden die Ergebnisse nicht wünschenswert sein.

Während es keine Möglichkeit gibt, die Strahlungswärme direkt im Mikromanagement zu steuern, ist es möglich, die Strahlungswärme indirekt im Mikromanagement zu steuern. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist eine Umgebung mit konstanter Temperatur beim Bau und der Herstellung von Leiterplatten.

Konvektion

Konvektion findet statt, wenn Wärme auf Flüssigkeiten oder Luft übertragen wird. Im Gegensatz zur Strahlung ist die Konvektion vollständig direkt und hat einen starken Einfluss auf die Gesamttemperatur der Leiterplatte.

Das bekannteste Beispiel für Konvektion ist das Kochen. Schließlich sind fast alle Backöfen Konvektionsöfen. Die Wärme des Ofens wird auf die Luft übertragen, wodurch sie Dinge erhitzen kann.

Auch bei PCB-Materialien wird „gekocht“, und genauso wie es beim Zubereiten von Speisen in der Küche wichtig ist, seine Temperaturen zu kennen, ist es auch beim Erhitzen von PCB-Materialien erforderlich, seine Temperaturen zu kennen.

Leitung

Die direkteste Form des Temperaturübertragungskanals ist die Leitung. Bei Wärmeleitung wird Wärme zwischen einer Wärmequelle und einem Kühlkörper übertragen.

Das stärkste Beispiel dafür ist, wenn ein Blitz etwas Metallisches oder Flüssiges trifft. In diesen Beispielen ist die Wärmequelle ein Blitz und die Wärmesenke flüssig oder metallisch.

Zu wissen, welche Komponenten Ihrer Leiterplatte als Wärmequellen und welche Teile der Leiterplatte als Kühlkörper fungieren, ist eine hervorragende Methode, um zu bestimmen, wann es eine gute Idee ist, zu entscheiden, welchen Arten von Strömen Komponenten standhalten können.

3. PCB-Temperaturtoleranz

Leiterplattenhersteller haben auch Probleme mit überhitzten Komponenten in Leiterplatten, weil sie sich nicht die Zeit genommen haben, zu lernen, welchen Temperaturen Material standhalten kann.

Dies zu wissen und eine Liste zu erstellen, sollte jeder Hersteller tun. Eine Liste zur Hand zu haben, die anzeigt, wie heiß jedes Material werden kann, ist sehr nützlich und in vielen Fällen notwendig.

Beispielsweise enthalten die PCB-Panels ein Material namens FR-4, das Temperaturen von 90 bis 110 Grad Celsius standhalten kann. Wenn Sie eine Leiterplatte mit FR-4-Materialien vorbereiten, sollten Sie sich daher aller Ströme bewusst sein, die dieses Material betreffen und 110 Grad Celsius überschreiten können.

Zu wissen, welche Temperaturen die Panels der PCBs haben, die Sie herstellen möchten, ist einer der kritischsten Aspekte des Mikromanagements der Temperatur einer PCB, aber auch einer der am häufigsten übersehenen.

4. So messen Sie die PCB-Temperatur

Es ist wichtig zu verstehen, welchen Temperaturen Ihre Leiterplattenmaterialien standhalten können. Es ist auch notwendig zu wissen, wie Wärme zwischen den Komponenten der Leiterplatte übertragen wird.

Wenn Sie diese Dinge wissen, können Sie Ihre gesamte PCB-Temperatur im Mikromanagement verwalten. Gut zu wissen ist auch, wie man die PCB-Temperatur misst.

Messen bedeutet in diesem Fall nicht, die angezeigten Umgebungstemperaturen zu prüfen.

Es bezieht sich stattdessen auf die Messung, wie die Temperatur zu- und abnimmt. Die Kenntnis dieser Prozesse ist eine der genauesten Methoden zur Messung der Gesamttemperatur von Leiterplatten.

Es gibt ein paar Dinge, die Sie identifizieren müssen, bevor Sie die PCB-Temperatur auf diese Weise messen können. Dies sind die primäre Wärmequelle und der Temperatursensor. Hier wird die meiste Wärme erzeugt und dort finden die meisten Ströme statt.

Als nächstes müssen Sie den GND-Pin der Wärmequelle finden. Es ist normalerweise mit dem Substrat der Wärmequelle verbunden.

Danach können Sie die PCB-Temperatur messen, indem Sie diese drei Dinge tun:

Verwendung einer gemeinsamen Erdungsebene zwischen dem Temperatursensor und der Wärmequelle.

Sie verbinden die GND-Pins aller Temperatursensoren mit der Masseebene der Wärmequelle.

Sie halten den Temperatursensor und die Wärmequelle auf der Platine ziemlich nahe beieinander.

Auf diese Weise können Sie die globale Temperatur der Leiterplatte und der primären Wärmequelle genau und konsistent verfolgen.

5. Ergebnisse durch zu hohe PCB-Temperatur

Zu wissen, wie man PCB-Temperaturen genau und angemessen misst, ist eine Sache. Aber was passiert, wenn die Komponenten und Materialien einer Leiterplatte zu heiß werden?

Zu hohe Temperaturen zerstören die Integrität der Schicht.

Was passiert, wenn etwas ungewöhnlich heiß oder kalt wird? Sie dehnen sich aus bzw. ziehen sich zusammen.

Bei Leiterplatten ist das nicht anders. Die Schichten der Leiterplatte sind temperaturempfindlich. Übermäßige Temperaturen verziehen die Länge, Breite und Dicke jeder PCB-Schicht, wenn sie nicht mikrogeregelt werden.

Um auf das Beispiel der Konvektion in Kapitel 2 zurückzukommen, ist dies vergleichbar mit dem zu langen Belassen von Lebensmitteln in der Mikrowelle, wodurch das Lebensmittel darin explodiert.

Ähnliches passiert mit PCB-Schichten, wenn sie überhitzt werden.

Wärmeenergie dehnt die meisten Substanzen aus und verändert sie.

Substanzen dehnen sich bei Überhitzung aus und verändern ihre Form auf irgendeine Weise.

Schaltungsmaterialien sind hiervon nicht ausgenommen. Hohe Temperaturen können und werden die Form der Übergangslinien in diesen Schaltungsmaterialien verändern. In diesem Fall ändern sich die Abmessungen der Schaltungsmaterialien selbst.

Dies führt zu direkten Verlusten, Verzerrungen und Frequenzverschiebungen im Schaltungsmaterial.

Materialien dehnen sich unterschiedlich schnell aus.

Materialien in einer Leiterplatte dehnen sich nicht nur bei hohen Temperaturen aus, sondern sie dehnen sich auch mit unterschiedlichen Raten aus.

Die Oberfläche einer Leiterplatte besteht entweder aus dielektrischen Schichten oder leitenden Metallschichten. Diese Schichten dehnen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bis zu unterschiedlichen Grenzen aus. Diese Unterschiede sind nicht nur getrennt von Dielektrikum und Leitfähigkeit. Keine dielektrische oder leitfähige Schicht ist gleich.

Einer der häufigsten Fehler, den ein Leiterplattenhersteller machen kann, besteht darin, diese beiden Schichten zu verwechseln. Nehmen Sie sich die Zeit, um zu wissen, mit welcher Ebene Sie arbeiten.

Das Löten von Platinen erfordert unterschiedliche Temperaturen.

Schweißen und Löten ist eine notwendige Fertigkeit für jeden, der Leiterplatten produzieren, testen und herstellen möchte.

Zu wissen, mit welchen Temperaturen beim Schweißen und Löten gearbeitet werden muss, muss jeder in einem Leiterplattenhersteller wissen, auch wenn er nicht direkt mit dem Schweißen und Löten von Materialien befasst ist.

6. Auswahl der richtigen PCB-Materialien

Eine weitere Möglichkeit zum Mikromanagement und zur korrekten Einstellung der Temperaturen für Leiterplatten besteht darin, die richtigen Materialien für die Platten auszuwählen. Die Wahl der falschen Materialien macht es viel komplizierter als es sein sollte, diese Temperaturen im Mikromanagement zu kontrollieren.

Das gebräuchlichste Material für eine Leiterplattenplatte heißt FR-4. Jeder, der gerade mit WellPCB anfängt. Wir bieten Ihnen einen One-Stop-Service und qualitativ hochwertige Produkte. Sie können uns die erforderlichen Unterlagen zusenden und erhalten sofort ein Angebot! Auf was warten wir? Wir haben zehn Jahre Erfahrung in der Leiterplattenherstellung oder wer Risiken minimieren möchte, sollte sich für dieses Material entscheiden. Ein gemeinsamer Faden bei FR-4-Materialien ist, dass sie Temperaturen gut widerstehen können.

Zwei andere Materialien sind nicht so verbreitet wie FR-4, nämlich Polyimid und RF. Obwohl diese beiden Temperaturen und FR-4 nicht widerstehen, haben sie andere Eigenschaften, die FR-4-Materialien nicht haben.

Diese Liste enthält die meisten Informationen, die Sie zu diesen Materialien in Bezug auf ihre spezifischen Temperaturkapazitäten benötigen.

Sie können die gesamte Liste hier einsehen:https://bayareacircuits.com/material-library/.

7. Methoden zur Reduzierung der PCB-Temperatur

Schließlich ist es an der Zeit, Wege zur Senkung der PCB-Temperaturen zu erkunden. Diese können auf jedes Material jeder Leiterplatte angewendet werden.

Kühlkörper

Teile, Materialien und Komponenten von Leiterplatten erzeugen alle Wärme. Ein geeigneter Kühlkörper leitet diese Wärme ab und ermöglicht ein Mikromanagement der Wärme.

Kühlgebläse

Fast jedes elektronische Gerät enthält einen Lüfter, aber viele verstehen nicht, was sein Zweck ist.

Ob Teil eines vollständig fertiggestellten elektronischen Geräts oder Teil einer WellPCB, wir bieten Ihnen Service aus einer Hand und qualitativ hochwertige Produkte. Sie können uns die erforderlichen Unterlagen zusenden und erhalten sofort ein Angebot! Auf was warten wir? Wir haben zehn Jahre Erfahrung in der Herstellung von Leiterplatten; Der Zweck eines Lüfters besteht darin, heiße Luft aus dem Gerät abzulassen und gleichzeitig kühle Luft hineinzulassen.

Dickere Platten erfordern mehr Leistung, um hohe Temperaturen zu erreichen.

Die Plattendicke ist eines der verwirrenderen Probleme, mit denen Hersteller konfrontiert sind, wenn es um PCB-Temperaturen geht.

Während dickere Platten mehr Kraft benötigen, um höhere Temperaturen zu erreichen, widersteht ein Gericht umso weniger, je umfassender es ist. Es kann die Temperatur verlangsamen. Diese Anomalie ermöglicht eine weitere Methode zur Steuerung der PCB-Temperaturen.

Überlegungen zur Heatpipe-Integration

Was ist der Hauptzweck einer bestimmten Pfeife? Es dient dazu, den Fluss einer bestimmten Substanz zu organisieren.

Dies gilt auch für das Mikromanagement der PCB-Temperatur, da Flüssigkeiten, die an der PCB-Produktion beteiligt sind, Wärme absorbieren, verdampfen und dann wieder zu Flüssigkeit kondensieren können.

Diese Art von Prozess ermöglicht es Ihnen, mit allen Materialien und Komponenten weiterzuarbeiten, mit denen Sie arbeiten müssen, und gleichzeitig die beteiligten Temperaturen automatisch im Mikromanagement zu steuern.

Schlussfolgerung und Zusammenfassung

Wenn Sie ein Auge für Details haben und gut informiert sind, ist es nicht schwierig, die Ursachen und Lösungen im Zusammenhang mit der PCB-Temperatur zu verstehen. Weitere Informationen finden Sie auch im Artikelarchiv von WellPCB.

Es gibt viele Dinge zu lernen, wenn es um das Mikromanagement von PCB-Temperaturen geht, und der Schlüssel dazu ist, geduldig und konsequent zu sein. Die Beherrschung der Kunst, PCB-Temperaturen zu verwalten, braucht Zeit, und Anleitungen wie diese sollen viel Zeit einsparen.

WellPCB hat sich auf den richtigen PCB-Dienstleister spezialisiert. Glücklicherweise gibt es seit einiger Zeit verschiedene Bereiche der Leiterplattenherstellung. Wir sind bestrebt, Informationen für andere Leiterplattenhersteller bereitzustellen und für beide die besten Materialien, Komponenten und Dienstleistungen anzubieten.