Die umfassendsten Prinzipien des thermischen Designs für PCBs

Es wird geschätzt, dass mehr als die Hälfte elektronischer Komponenten aufgrund der hohen Belastung durch die thermische Umgebung ausfallen. In den letzten Jahren haben zahlreiche Geräte mit integrierten Schaltungen (ICs) und Hyper-Scale sowie Oberflächenmontagetechnologie (SMT) und elektronische Produkte begonnen, Entwicklungsrichtungen in Richtung Miniaturisierung, hohe Dichte und hohe Zuverlässigkeit zu verfolgen. Dementsprechend verlangen elektronische Systeme immer höhere Anforderungen an die thermische Leistung. Schließlich spielt das Wärmemanagement, das mit dem Aufkommen elektronischer Produkte geboren wurde, eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Leistung und Funktionen elektronischer Systeme.

Als Rückgrat elektronischer Geräte gewährleistet das rationale Design von PCBs (Printed Circuit Boards) deren hohe Leistung. Wenn das PCB-Design die thermischen Anforderungen teilweise oder sogar vollständig nicht erfüllt, werden elektronische Geräte definitiv beschädigt oder sogar ausfallen. Die ständig wachsende Integrität von Schaltungsmodulen und massive Anwendungen von ICs und Multi-Chip-Modulen (MCM) tragen zur Verbesserung der Bauteilbestückungsdichte bei, was anschließend zu einer höheren Dichte des Wärmeflusses auf PCBs führt. Hochwertige Leiterplatten beruhen nicht nur auf einem genauen und rationellen Layout und Routing, sondern beruhen auch auf einer hohen thermischen Zuverlässigkeit für einen sicheren Betrieb. Daher ist es von großer Bedeutung, umfassende Wärmeableitungsregeln und -analysen auf Leiterplatten zu implementieren. Dieser Artikel beginnt mit thermischen Designprinzipien für den Start und stellt ingenieurfreundliche thermische Designregeln zur praktischen Anwendung durch Elektronikdesigner für ihre Arbeit vor.

Grundprinzipien des thermischen Designs

Das thermische Design basiert auf der grundlegenden Theorie der Wärmeübertragung und der Strömungsmechanik. Wo es Temperaturunterschiede gibt, gibt es eine Wärmeübertragung von der Hochtemperaturzone zur Niedertemperaturzone. Wärmeübertragung kann durch Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung erreicht werden.

Die Formel der Wärmeübertragung wird wie folgt angezeigt:φ=KAΔt, wobei φ für die Wärmeübertragungsmenge steht, deren Einheit W ist, K steht für den Wärmeübertragungskoeffizienten, dessen Einheit W/(m ^{2 x K), A steht für die Wärmeübertragungsfläche, deren Einheit m 2 ist und Δt steht für die Temperaturdifferenz zwischen Thermofluid und Kaltfluid, deren Einheit K ist.}

Das thermische Design von Leiterplatten ist definiert als der Prozess, bei dem der Wärmewiderstand von der Wärmequelle zum Wärmeverbrauchsraum durch Kühlmaßnahmen durch Wärmeübertragungseigenschaften auf ein Minimum verringert wird oder die Dichte des Wärmefluids so gesteuert wird, dass sie innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt. Um seine Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen gültige Maßnahmen zur thermischen Auslegung unter folgenden Gesichtspunkten ergriffen werden, darunter:
a. Natürliche Kühlung, die Wärme ohne äußere Kraft leitet. Es umfasst Wärmeleitung, Strahlungswärmeübertragung und natürliche Konvektionsübertragung.
b. Zwangsluftkühlung. Es lässt Kühlluft durch elektronische Geräte oder Komponenten strömen und überträgt Wärme von der Wärmequelle zum Kühlkörper durch Ventilator oder Stauluft.
c. Flüssigkeitskühlung. Es gibt zwei Methoden der Flüssigkeitskühlung:
1). Direkte Flüssigkeitskühlung bezieht sich auf den Prozess, bei dem Komponenten direkt in das flüssige Kühlmittel eingetaucht werden.
2). Indirekte Flüssigkeitskühlung bezieht sich auf den Prozess, bei dem Komponenten nicht direkt mit flüssigem Kühlmittel in Berührung kommen. Die Kühlung erfolgt jedoch über einen Wärmetauscher oder eine Kühlplatte.
d. Verdunstungskühlung. Derzeit ist es die effektivste Wärmeleitungsmethode. Die Wärmeübertragung wird durch Aufwallen des Kühlmediums erreicht.
e. Andere Arten von Kühlmaßnahmen:Thermorohr, Kühlplatte, thermoelektrische Kühlung.

Im Prozess des thermischen Managements können geeignete thermische Designmaßnahmen entsprechend den praktischen Bedingungen wie der praktischen Betriebsumgebung (Temperatur, Feuchtigkeit, atmosphärischer Druck, Staub usw.), der Dichte des thermischen Fluids an Bord, der Leistungsvolumendichte und dem Gesamtleistungsverbrauch vorgenommen werden , Oberfläche, Volumen, Kühlkörper und andere besondere Bedingungen, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung und einen angemessenen Temperaturanstieg innerhalb des vorgeschriebenen Grenzwerts zu gewährleisten.

Thermische Designregeln

Der allgemeine Zweck des thermischen Designs besteht darin, die Temperatur aller elektronischen Komponenten zu kontrollieren, die auf Leiterplatten in elektronischen Produkten montiert sind, um die Stabilität der elektrischen Leistung sicherzustellen, um Temperaturdrift elektrischer Parameter zu vermeiden oder zu reduzieren, um die grundlegende Ausfallrate von Komponenten zu verringern, und dafür zu sorgen, dass die Temperatur in der Betriebsumgebung nicht über die maximal zulässige Temperatur hinausgeht. Dieser Artikel beschreibt die Regeln des thermischen PCB-Designs in drei Perspektiven:die Verwendung von Komponenten auf PCBs, das thermische Design von PCBs, die Komponentenmontage und das PCB-Layout.

a. Nutzung elektronischer Komponenten

1). Wie kontrolliert man die Arbeitstemperatur der Komponenten?

Die Temperatur ist das erste Element, das die Leistung und Ausfallrate der Komponenten beeinflusst. Die höchstzulässige Betriebstemperatur und der Stromverbrauch sollten entsprechend dem erforderlichen Maß an Zuverlässigkeit und der verteilten Ausfallrate jeder Komponente bestimmt werden. Tabelle 1 zeigt die Werte der zulässigen maximalen Oberflächentemperatur von Komponenten im Hinblick auf die Zuverlässigkeit des thermischen Designs.

Komponenten	max. Oberflächentemp/°C	Komponenten	max. Oberflächentemp/°C
Transformator, Drossel	95	Keramikkondensator	80-85
Metallschichtwiderstand	100	Glaskeramikkondensator	200
Kohleschichtwiderstand	120	Siliziumtransistor	150-200
Palladium-Film-Widerstand	200	Germanium-Transistor	70-90
Gepresster Drahtwiderstand	150	Vakuumröhre	15-200
Gedruckter Widerstand	85	CMOS-Flachgehäuse, vollständig versiegelt	125
Drahtwiderstand lackieren	225	Keramik-DIP, schwarzes Porzellan-DIP	/
Papierkondensator	75-85	CMOS-Plastik-DIP	85
Folienkondensator	60-130	Kleiner TTL-IC	25-125
Glimmerkondensator	70-120	TTL-Mittelstufen-IC	70-85

2). Wie regelt man die Sperrschichttemperatur von Komponenten?

Die Sperrschichttemperatur der Komponente hängt von ihrer eigenen Leistungsaufnahme, ihrem thermischen Widerstand und ihrer Umgebungstemperatur ab. Zu den Maßnahmen zur Kontrolle der Sperrschichttemperatur innerhalb eines zulässigen Bereichs gehören daher:
• Komponenten mit niedrigem internen Wärmewiderstand werden aufgenommen.
• Derating wird verwendet, um den Temperaturanstieg zu verringern.
• Insbesondere Schaltkreise diejenigen, die Leistungskomponenten enthalten, sollten für die Zuverlässigkeit von einem ausgefeilten thermischen Design abhängen, das den Richtlinien entspricht, die im Standardhandbuch dargestellt sind.

3). Wie gestaltet man ein Derating, wenn Komponenten verwendet werden?

Je nach Bedarf kann ein Derating-Design in der praktischen Anwendung implementiert werden, um die Leistung der Komponenten unter dem Nennwert (Leistung, Spannung, Strom) zu erreichen, so dass der Temperaturanstieg und die Ausfallrate drastisch reduziert werden.

b. Thermische Designregeln von PCBs

Die vertikale Montage von Leiterplatten ist vorteilhaft für die Wärmeableitung und der Abstand zwischen den Leiterplatten sollte mindestens 20 mm betragen. Zu den Regeln für das thermische Board-Design gehören:
1). Als Substratmaterial für PCBs wird ein Material mit der Fähigkeit gegen hohe Temperaturen und hohe Leitfähigkeitsparameter ausgewählt. Wenn es um Schaltungen mit hoher Leistung und Dichte geht, können Aluminiumbasis und Keramik aufgrund ihres geringen thermischen Widerstands als Substratmaterial verwendet werden (PCBCart ist in der Lage, Leiterplatten mit diesen Substratmaterialien herzustellen. Sie können Ihre Leiterplattendateien zusammen mit der Mengenanforderung senden Auf dieser Seite finden Sie ein Angebot für Leiterplatten auf Aluminium- und Keramikbasis).
2). Die mehrschichtige Struktur ist eine optimale Wahl für die Wärmeableitung von PCB.
3). Um die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten zu verbessern, verwenden Sie am besten wärmeableitende Platten. Metallkernplatinen können in Mehrschicht-PCBs verwendet werden, um eine hervorragende Wärmeableitung zwischen Platine, Trägervorrichtungen und Wärmeableitungsvorrichtungen zu erzielen. Falls erforderlich, können Schutzbeschichtungen und Einkapselungsmaterialien verwendet werden, um die Wärmeübertragung auf Stützvorrichtungen oder wärmeableitende Vorrichtungen zu beschleunigen.

4). Um die Wärmeableitungsfähigkeit von Leiterplatten zu erhöhen, kann eine Sammelschiene verwendet werden, die als ausgezeichneter Kühler angesehen werden kann und in der Lage ist, die Entstörungsleistung von Leiterplatten zu erhöhen.
5). Um die Wärmeableitungsfähigkeit von PCBs zu verbessern, sollte die Dicke der Metallfolie erhöht werden, und der Innenleiter sollte eine Metallfolie mit großer Fläche verwenden. Darüber hinaus sollte die Breite der Erdungsleitungen angemessen erhöht werden, da Erdungsleitungen mit großer Fläche sowohl die Entstörungsfähigkeit als auch die Wärmekapazität erhöhen können.

c. Komponentenmontage und PCB-Layout

Das Komponentenlayout ist für die thermische Leistung von Leiterplatten von entscheidender Bedeutung, insbesondere für vertikal angeordnete Leiterplatten. Die Montagerichtung der Komponenten sollte den Fließeigenschaften des Kühlmittels entsprechen, um dem Kühlmittel den geringsten Widerstand zu bieten. Zu den Regeln, die für Komponenten in Bezug auf Montage und Layout gelten, gehören:

1). Bei Produkten mit freier Konvektionsluftkühlung ist es am besten, ICs oder andere Komponenten in Längsrichtung anzuordnen, wie im Beispiel in Abbildung 2 unten gezeigt. Bei Produkten mit Zwangsluftkühlung ist es am besten, ICs oder andere Komponenten in einer länglichen Anordnung anzuordnen, wie im Beispiel in Abbildung 3 unten gezeigt.

2). Die Komponenten auf derselben Leiterplatte sollten gemäß ihrer Wärmeproduktivität und Wärmeableitung klassifiziert und platziert werden. Komponenten mit geringer Wärmeproduktivität oder niedrigem Wärmewiderstand (Kleinsignaltransistor, kleiner IC, Elektrolytkondensator usw.) sollten stromaufwärts (Eingang) platziert werden, während Komponenten mit hoher Wärmeproduktivität oder hohem Wärmewiderstand (Frequenztransistor, Hyper-Scale IC usw.) sollten stromabwärts platziert werden. An der Peripherie von Kleinsignalverstärkern sollten Komponenten mit geringer Temperaturdrift platziert werden und Flüssigmedium-Kondensatoren sollten weit entfernt von Wärmequellen sein.
3). In horizontaler Richtung sollten Komponenten mit hoher Frequenz neben dem Rand von Leiterplatten angeordnet werden, um den Wärmeübertragungsweg zu minimieren. In vertikaler Richtung sollten Bauteile mit hoher Frequenz nahe am oberen Teil von Leiterplatten angeordnet werden, um ihren Einfluss auf die Temperatur anderer Bauteile zu verringern.
4). Temperaturempfindliche Bauteile sollten an der Stelle mit der niedrigsten Temperatur angeordnet werden, z. B. an der Unterseite eines Produkts. Sie dürfen nicht direkt über wärmeerzeugenden Bauteilen platziert werden und sollten weit entfernt von wärmeerzeugenden Bauteilen platziert oder von diesen isoliert werden.
5). Komponenten mit dem größten Stromverbrauch und der größten Wärmeentwicklung sollten neben der besten Stelle für die Wärmeableitung angeordnet werden. Ordnen Sie Bauteile mit hoher Temperatur niemals an Ecken oder Kanten an, es sei denn, Heizkörper sind darum herum angeordnet. Bei der Anordnung von Leistungswiderständen sollten relativ große Bauteile aufgenommen werden und ihnen im Prozess des Leiterplattenlayouts ausreichend Wärmeabfuhrraum gelassen werden.
6). Die Leistung sollte gleichmäßig auf den Leiterplatten verteilt werden, um das Gleichgewicht und die Konformität aufrechtzuerhalten und die Konzentration von Wärmepunkten zu vermeiden. Es ist schwierig, eine strenge Gleichmäßigkeit zu erreichen, aber Bereiche mit extrem hoher Leistung müssen vermieden werden, falls überhitzte Punkte den normalen Betrieb des gesamten Stromkreises unterbrechen.
7). Beim PCB-Design muss der Luftstrompfad vollständig berücksichtigt und die Komponenten müssen angemessen angeordnet werden. Luft neigt dazu, mit geringem Widerstand zu der Stelle zu strömen, daher sollte ein relativ großer Luftraum beim Anordnen von Komponenten auf Leiterplatten vermieden werden.
8). Die thermische Montagetechnik sollte auf Leiterplatten angewendet werden, um eine relativ gute Wärmeübertragungswirkung zu erzielen. Über die Hälfte der Wärme, die von Komponenten wie ICs und Mikroprozessoren erzeugt wird, wird über ihre eigenen Anschlüsse an PCBs übertragen, deren Montagelöcher Metallisierungslöcher verwenden sollten. Diese Komponenten können auch direkt auf einem Wärmeleitstab oder einer Platte montiert werden, um den durch die Komponenten verursachten Wärmewiderstand zu reduzieren.
9). In den Verbindungen zwischen Komponenten mit hoher Wärmeableitung und Leiterplatten sollte der Wärmewiderstand so weit wie möglich verringert werden. Um die Anforderung an die Wärmeeigenschaften zu erfüllen, können einige Wärmeleitmaterialien unter dem Chip verwendet werden und die Wärmeableitung von Komponenten im Kontaktbereich sollte erhalten bleiben.
10). Pins von Bauteilen sollten bei der Verbindung von Bauteilen und Leiterplatten gekürzt werden. Bei der Auswahl von Komponenten mit hohem Stromverbrauch sollte die Leitfähigkeit des Bleimaterials berücksichtigt werden. Wählen Sie nach Möglichkeit Komponenten, deren Leitungen einen größeren Querschnitt haben und die die meisten Stifte haben.

d. Andere Anforderung
1). Komponentenpaket:Der Typ des Komponentenpakets und die Wärmeleitrate sollten beim thermischen PCB-Design berücksichtigt werden. Zwischen Substrat und Bauteilgehäuse kann ein Wärmeleitungspfad vorgesehen werden, und auf dem Wärmeleitungspfad sollte eine Luftunterbrechung vermieden werden.
2). Technik Methode:In den Bereichen mit Komponenten auf beiden Seiten der Platine können lokale hohe Temperaturen verursacht werden. Um die Wärmeableitung zu verändern, kann etwas feines Kupfer in die Lötpaste gegeben werden, damit die Lötpunkte unter den Bauteilen auf eine bestimmte Höhe steigen. Der Luftraum zwischen Bauteilen und Leiterplatte wird vergrößert, um die thermische Konvektion zu verbessern.
3). Wärmeableitungslöcher:Einige Wärmeableitungslöcher und Sacklöcher können auf Leiterplatten angeordnet werden, sodass die Wärmeableitungsfläche effektiv vergrößert, der Wärmewiderstand verringert und die Leistungsdichte von Leiterplatten erhöht werden kann.

Thermische Analyse

Basierend auf der rechnerischen Wärmeübertragung, der thermischen Analyse, deren numerische Berechnungsmethoden hauptsächlich die Finite-Differenzen-Methode, die Finite-Elemente-Methode und die Grenzelementmethode umfassen, die sich auf den Prozess der Vereinfachung von Modulen, der Erstellung mathematischer Module, der Lösung nichtlinearer Gleichungen, der Erstellung und Anpassung analytischer Verfahren und beziehen Berechnung, Messung und Prüfung thermischer Parameter.

Als grundlegender Aspekt des thermischen Designs ist die thermische Analyse eine wichtige Methode zur Bewertung der Bedeutung des thermischen Designs. Die thermische PCB-Analyse bezieht sich auf den Prozess der Erstellung des thermischen Moduls von Komponenten und der Einstellung von Simulationssteuerparametern entsprechend der Struktur und dem Rohmaterial von PCBs, dem Gehäusetyp der Komponenten und der Betriebsumgebung der PCB, um die Werte des thermischen Verhaltens von PCBs abzuschätzen. Die thermische Analyse muss in der Konzeptphase vor dem Layout und während des gesamten Prozesses des PCB-Designs durchgeführt werden.

Werte der Komponententemperatur, Platinentemperatur und Luftstromtemperatur können aus der thermischen Analyse erhalten werden, die die thermischen Eigenschaften von Leiterplatten in Form von farbigen Bildern, visuellen Temperaturisothermengrafiken oder spezifischen Daten anzeigt.

Basierend auf dem Ergebnis der thermischen Analyse können thermische Probleme der Leiterplatte schnell festgestellt und rechtzeitig geeignete Maßnahmen ergriffen und Bereiche mit hoher Temperaturdichte beseitigt werden, wodurch der Wärmeleitungspfad bestimmt, die Positionen der Schlüsselkomponenten und die Form optimiert werden von Radiator und Größe, um die Wärmeableitungsrate voll auszunutzen, die Wärmeübertragungseffizienz von Wärmeableitungslöchern und Radiatoren zu erhöhen und den Abstand zwischen Platinen und Komponenten auf Platinen zu bestimmen.

PCCBart verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Herstellung von Leiterplatten mit erweiterten Funktionen

Seit der Gründung im Jahr 2005 fertigt PCBCart Leiterplatten für Kunden aus über 80 Ländern. Unsere hergestellten Leiterplatten sind in fast allen Branchen weit verbreitet. Sie können uns hier erreichen, um Ihr individuelles PCB-Projekt zu besprechen.

Hilfreiche Ressourcen
• Überlegungen zum thermischen PCB-Design
• Internes Wärmeableitungsdesign von PCB basierend auf einem thermischen Modell
• Metallkern-PCB eine ideale Lösung für thermische Probleme bei PCB und PCBA
• Wie zur Bewertung eines Leiterplattenherstellers oder eines Leiterplattenbestückers
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