PCB-Temperaturleitfaden

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• So messen Sie die PCB-Temperatur
• Wie viel Wärme verträgt eine Leiterplatte?
• Häufige Ursachen für hohe Hitze in einer Leiterplatte
• Wie man hohe Temperaturen in einer Leiterplatte verhindert
• Kontaktieren Sie MCL für all Ihre PCB-Anforderungen

Die Temperatur ist ein wichtiges Element der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung von Leiterplatten (PCBs). Hohe Temperaturen können schnell zu Fehlfunktionen und bleibenden Schäden führen.

Mehrere Umstände können Wärme in die Funktionsweise einer Leiterplatte einbringen. Eine auf der Leiterplatte montierte Komponente kann übermäßige Wärme erzeugen. Ein externes Element – ​​beispielsweise eine andere Komponente in einem komplexen System wie einem Luft- und Raumfahrtsystem oder einer medizinischen Anwendung – kann übermäßige Wärme erzeugen. Aufgrund unzureichender Belüftung kann es zu einem Hitzestau in der Leiterplatte kommen. Oder bei der Leiterplattenbestückung kann die beim Bohren und Löten entstehende Hitze die Bauteile übermäßig thermisch belasten und zu defekten Platinen führen.

Was auch immer der Grund sein mag, Ingenieure brauchen Möglichkeiten, um Wärme zu managen, um sicherzustellen, dass Leiterplatten die hohen thermischen Belastungen überstehen, denen sie unvermeidlich ausgesetzt sind. Was sind einige wirksame PCB-Wärmeableitungstechniken und Möglichkeiten, um einen Anstieg der PCB-Temperatur zu verhindern? Wir werden diese Fragen weiter unten ausführlicher beantworten.

Warum ist die Überwachung der PCB-Temperatur wichtig?

Die Überwachung der PCB-Temperatur ist von entscheidender Bedeutung, da hohe Temperaturen die Struktur der PCB verändern und ihre Leistung beeinträchtigen oder zu einem Ausfall führen können.

Die Temperaturmessung von Leiterplatten ist auch deshalb kritisch, weil die Probleme, die durch hohe Temperaturen entstehen, nicht lokal bleiben. Sie können sich schnell auf andere Komponenten der Leiterplatte ausbreiten und eine Kaskade von Fehlfunktionen und Schäden verursachen.

Übermäßige Hitze in einer Leiterplatte kann die folgenden Arten von Schäden verursachen:

• Verlust der strukturellen Integrität: Übermäßige Hitze kann die Integrität einer Leiterplatte beschädigen. Die Schichten einer Leiterplatte reagieren sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen, und wenn sie zu heiß oder zu kalt werden, dehnen sie sich aus und ziehen sich zusammen. Übermäßige Hitze kann dazu führen, dass sich die Längen, Breiten und Dicken verschiedener PCB-Schichten verziehen.
• Unterbrechung von Stromleitungen: Übermäßige Hitze kann auch zu Schaltkreisschäden führen. Schaltkreisleitungen dehnen sich aus und verändern ihre Form, wenn sie überhitzen. Sobald dies geschieht, werden die Schaltungen anfällig für Frequenzverschiebungen, Verzerrungen und direkte Verluste. Auch ihre Leiterimpedanz kann von ihrem Standardwert von 50 Ohm abweichen. Insbesondere Millimeterwellenschaltkreise und Mikrowellenschaltkreise haben winzige, empfindliche Komponenten, die leicht beschädigt werden können, wenn sie sich bei hohen Temperaturen ausdehnen und verformen.
• Inkompatible Materialexpansionsraten: Die oben erwähnten nachteiligen Wirkungen werden durch die Tatsache verschlimmert, dass sich unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Raten ausdehnen. Eine Leiterplatte hat zwei Grundtypen von Schichten:dielektrische Schichten und leitfähige Metallschichten. Da sie unterschiedliche Materialien enthalten, dehnen sie sich bei Wärme unterschiedlich aus. Eine überhitzte Leiterplatte kann also weiteren Schaden erleiden, wenn die verschiedenen Arten von Schichten auseinanderziehen.
• Oxidation: Die Oxidation von PCB-Komponenten ist bei hohen Temperaturen ebenfalls ein Problem. Freiliegendes dialektisches Material in Leiterplatten ist nicht vor Oxidation geschützt, wenn es nicht mit einer schützenden Laminatbeschichtung versehen ist. In diesem Fall kann das Material nach Einwirkung großer Hitze rosten. Verlust von Übertragungsleitungen und ein höherer Verlustfaktor sind oft die Folge.

So messen Sie die PCB-Temperatur

Bevor Sie die PCB-Temperatur messen, ist es wichtig, die primäre Wärmequelle in der PCB – typischerweise der Mikrocontroller oder Mikroprozessor – zu bestimmen und die Temperatursensoren zu lokalisieren.

Es ist auch notwendig, die Erdungsstifte (GND) zu finden, die normalerweise am Substrat der Wärmequelle angebracht sind. Ein großer Prozentsatz der in einer Leiterplatte erzeugten Wärme wandert durch diese GND-Pins zum Temperatursensor. Da die Stifte mit dem Substrat verbunden sind, haben sie den geringsten Wärmewiderstand aller Komponenten der Leiterplatte zwischen dem Temperatursensor und der Wärmequelle.

Sobald Sie diese Informationen haben, kann die Temperaturüberwachung beginnen. Die PCB-Temperaturmessung umfasst typischerweise drei verschiedene Schritte:

1. Platzieren Sie eine Grundplatte zwischen den Temperatursensoren und der Wärmequelle.
2. Verbinden Sie die GND-Pins jedes Temperatursensors mit der Erdungsebene der Wärmequelle.
3. Achten Sie darauf, dass die Temperatursensoren und die Wärmequelle auf der Platine nahe beieinander bleiben.

Wenn Sie diese Schritte befolgen, können Sie die Temperaturen der primären Wärmequelle – und damit der gesamten Leiterplatte – genau und präzise messen.

Was ist die maximale Temperatur, die eine Leiterplatte aushalten kann?

Wie viel Wärme eine Leiterplatte aushalten kann, hängt von den Materialien ab, aus denen sie besteht. Materialien mit optimalen thermischen Eigenschaften bieten zuverlässigen Widerstand gegen die Einwirkung großer Hitze, während einige Materialien hohen Temperaturen weniger zuverlässig standhalten. Die als Glasübergangstemperatur (TG) bekannte Metrik hilft bei der Angabe dieses Widerstands. Beispielsweise hat FR-4 eine TG von etwa 135 Grad Celsius.

Leiterplatten werden typischerweise als Hochtemperatur-Leiterplatten definiert, wenn sie einer Temperaturgrenze von 150 Grad Celsius standhalten können. Einige Hochtemperatur-Leiterplatten können möglicherweise noch höheren Temperaturen standhalten, aber Leiterplatten aus Materialien mit geringerer Hitzebeständigkeit können nur bei viel niedrigeren Temperaturen sicher arbeiten. Hochtemperatur-Leiterplatten werden immer häufiger in Anwendungen wie Automobil- und Industrieanwendungen eingesetzt, in denen extreme Temperaturen Teil der Arbeitsumgebung sind.

Häufige Ursachen für hohe Hitze in einer Leiterplatte

1. Komponentenfehlfunktion verursacht Verlustleistung

Eine häufige Ursache für hohe Hitze in einer Leiterplatte ist, dass eine Komponente innerhalb der Leiterplatte eine Fehlfunktion aufweist und sich ableitet, wodurch sie nicht die Menge an Strom erzeugt, die sie normalerweise erzeugt. In diesem Fall müssen die umliegenden Komponenten mehr Leistung erzeugen, um dies auszugleichen. Mehr Stromerzeugung führt zu Überhitzungsgefahr.

2. Through-Hole-Interferenz

Durchgangslochkomponenten und Kühlkörperkomponenten sind die Komponenten der Leiterplatte, die Strom liefern. Sie erzeugen Wärme und geben diese an die Luft ab. Wenn ein Kühlkörper falsch gelötet wird oder wenn eine andere Komponente der Leiterplatte das Durchgangsloch stört, erzeugen die anderen Komponenten mehr Wärme als gewöhnlich, um dies auszugleichen. Auch bei diesem Szenario besteht die Gefahr der Überhitzung.

3. Abstand des oberflächenmontierten Geräts

Oberflächenmontierte Bauelemente (SMDs) werden auf die gleiche Weise mit der Leiterplatte verbunden wie Durchgangslochkomponenten. Sie ermöglichen einen gleichmäßigeren Stromfluss durch die Durchgangsbohrung und die Kühlkörperkomponenten. Allerdings müssen die Durchsteckbauteile und die SMDs im richtigen Abstand zueinander positioniert werden. Wenn sie zu weit entfernt sind, muss die Strömung weiter reisen. Die zusätzliche Zeit, die der Strom benötigt, um zu reisen, kann dazu führen, dass die empfangenden Komponenten zu lange kühl bleiben. In diesem Fall können andere Komponenten überhitzen, um dies auszugleichen.

4. Hochfrequenzschaltungen

Hohe Temperaturen sind besonders wahrscheinlich in Anwendungen, die Hochfrequenzschaltungen verwenden. Der Grund dafür ist, dass die Erzeugung von mehr Strom natürlich auch mehr Wärme produziert.

Hochfrequenzschaltungen beispielsweise sind ein schnell wachsender Bereich in der Leiterplattentechnik. Diese Schaltkreise sind hochkomplex, haben aber viele nützliche Anwendungen, von der drahtlosen Sicherheit in medizinischen und industriellen Produkten bis hin zu Smartphones. Diese Hochfrequenzschaltkreise neigen dazu, enorme Wärmemengen zu erzeugen, daher sind für diese Arten von PCBs spezielle Designtechniken erforderlich.

5. Bleifreies Lot

Insgesamt bewegt sich die Leiterplattenindustrie in Richtung Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS). RoHS-Leiterplatten verwenden bleifreies Lot, und bleifreies Lot erfordert hohe Temperaturen, damit es frei fließen kann.

Wie man hohe Temperaturen in einer Leiterplatte verhindert

Wie wir gesehen haben, ist es entscheidend, einen Anstieg der Leiterplattentemperatur zu verhindern. Aber wie kann man die Wärme in einer Leiterplatte reduzieren? Ingenieure können einige verschiedene Wärmeableitungstechniken für Leiterplatten anwenden:

1. Kühlkörper

Eine Leiterplatte ist im Grunde eine wärmeerzeugende Fabrik, da sie alle wärmeerzeugenden Komponenten enthält. Die Leiterplatte braucht einen Weg, um all diese Wärmeenergie abzuleiten. Im Allgemeinen handelt es sich bei der Antwort um Kühlkörper. Kühlkörper leiten die Wärme sicher ab, sodass sie sich nicht aufbaut und die Platine beschädigt.

2. Fans

Die meisten elektronischen Geräte enthalten Lüfter zur Kühlung, und ein Teil des Zwecks dieser Lüfter besteht darin, die Kühlung von Leiterplatten zu unterstützen. Kühlgebläse leiten die Wärme von elektronischen Geräten ab und lassen kühle Luft herein, was dazu beiträgt, eine Überhitzung zu verhindern und die Lebensdauer und Leistung der Leiterplatte zu verlängern.

3. Berücksichtigung von Materialien und Komponenten

Die Auswahl hitzebeständiger Materialien ist eine der effektivsten Strategien zur Reduzierung der Hitze in einer Leiterplatte. Zum Beispiel sind schwere Kupferleiterplatten, die mit dicken Kupferplatten konstruiert sind, aufgrund ihrer Haltbarkeit und Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, eine ausgezeichnete Wahl. Sie verarbeiten höhere Stromstärken, widerstehen höheren Temperaturen über längere Zeiträume und bieten stärkere Verbindungspunkte als Standard-Leiterplatten. Aus diesen Gründen sind sie besonders nützlich in Automobil-, Luftfahrt-, Schwermaschinen- und Stromrichteranwendungen und anderen Hochleistungsumgebungen.

Viele PCBs enthalten FR-4, das zwar als Flammschutzmittel nützlich ist, aber keine extrem hohen Temperaturen vertragen kann. Das Wissen, dass eine Leiterplatte FR-4 in ihrer Konstruktion enthält, kann es Ingenieuren ermöglichen, Schaltkreise zu entwerfen, die nicht mehr Wärme erzeugen, als das Material aushalten kann.

Materialien wie HF-Materialien – die in Hochfrequenzschaltungen verwendet werden – und Polyamid sind ebenfalls empfindlich gegenüber hohen Temperaturen. Polytetrafluorethylen (PTFE) ist in HF-Platinen weit verbreitet, kann jedoch unter der Hitze des Bohrens verschmieren, und die Verschmierung ist sehr schwierig zu entfernen. Diese Materialien sind in Leiterplatten nicht so häufig wie FR-4, aber Ingenieure sollten bei ihren Designs vorsichtig sein, wenn sie auch mit diesen Materialien arbeiten. Es wird dringend empfohlen, in diesen Situationen ein Hochtemperaturlaminat zu verwenden.

4. Erhöhung der Plattendicke und -breite

In Leiterplatten neigen dickere Platten dazu, Wärme weniger effektiv zu leiten als dünnere. Sie benötigen mehr Energie, um hohe Temperaturen zu erreichen, sodass sie mit der richtigen Technik dazu beitragen können, das Risiko von Überhitzung, Verformung und Unterbrechung zu verringern.

5. Anbringen von Laminaten

Das Aufbringen von Laminaten ist eine weitere Möglichkeit, Schäden durch hohe Temperaturen zu vermeiden. Hochtemperatur-Leiterplattenlaminate können eine Überhitzung verhindern, indem sie einen Hitzeschutz für die Komponenten der Leiterplatte bieten.

Hochtemperaturlaminate sollten folgende Schutzeigenschaften aufweisen:

• Glasübergangstemperatur (TG):Die Glasübergangstemperatur bezieht sich auf die Temperatur, bei der sich Polymere thermodynamisch von starr nach weich verändern. Leiterplatten mit hohem TG bieten hervorragenden Schutz.
• Zeit bis zur Delaminierung:Hohe Hitze kann ein PCB-Laminat im Laufe der Zeit delaminieren. Die besten Laminate brauchen lange, um sich bei hohen Temperaturen zu delaminieren.
• Feuchtigkeitsabsorption:PCB-Laminate sollten zuverlässige, schützende Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeiten haben. Wenn die Leiterplatte in einer luftkontrollierten Umgebung wie einem Labor betrieben wird, hat die Feuchtigkeitsaufnahme möglicherweise keine hohe Priorität. Wenn die Leiterplatte jedoch in einer Umgebung betrieben wird, in der sie den Elementen ausgesetzt sein kann, sind angemessene Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeiten von entscheidender Bedeutung.
• Zersetzungstemperatur (TD):Die Zersetzungstemperatur bezieht sich auf die Temperatur, bei der 5 % der Masse des Laminats durch Zersetzung verloren gehen. Eine hohe Zersetzungstemperatur bietet hervorragenden Schutz.
• Z-Achsen-Ausdehnung:Die Z-Achsen-Ausdehnung bezieht sich auf die Ausdehnung des Materials entlang der z-Achse als Prozentsatz des Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine geringere Z-Achsen-Ausdehnung bietet auch hervorragenden Schutz.

6. CTEs ausrichten

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) misst, wie stark sich ein Material ausdehnt, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Beim PCB-Design ist es ideal, wenn die dielektrischen Schichten einen ähnlichen CTE wie die Kupferschichten haben. Wenn sich die Schichten auf diese Weise ausdehnen, tun sie dies auf eine gleichmäßige Weise, die zu minimalen Schäden führt.

Wenn CTEs in einem mehrschichtigen Stapel nicht ausgerichtet sind, dehnen sich die Schichten mit radikal unterschiedlichen Raten aus, was zu Verwerfungen und Unterbrechungen führen kann. Wenn diese ungleichmäßige Ausdehnung während der Leiterplattenbestückung auftritt, können die Fehlausrichtungen auch ernsthafte Probleme beim Bohren verursachen.

Die Wahl von PCB-Materialien mit niedrigeren CTEs hilft, eine Überhitzung zu vermeiden. Beispielsweise hat mit Glasgewebe oder Mikroglasfasern gefülltes PTFE hervorragende elektrische Eigenschaften, aber es hat auch einen hohen CTE. Daher ist dieses Material eine schlechte Wahl, wenn thermische Zähigkeit oberste Priorität hat. Andererseits hat mit Keramik gefülltes PTFE einen niedrigeren CTE und eine viel bessere Leistung bei hohen Temperaturen, obwohl es ein wenig an elektrischen Eigenschaften verliert.

7. Angemessenen Abstand einhalten

Die Bestimmung des Komponentenabstands auf einer Leiterplatte kann ein kniffliger Prozess sein. Wenn Platinenkomponenten zu nahe beieinander liegen, kann es zu Übersprechen kommen – das heißt, verschiedene Komponenten können auf unerwünschte Weise miteinander interagieren. Diese unerwünschten Wechselwirkungen führen zu dem sogenannten Skin-Effekt. Wenn der Skin-Effekt auftritt, steigen die Leiterbahnwiderstände, was zu Widerstandsverlusten führt und der Schaltung Wärme hinzufügt. Der Skin-Effekt tritt besonders häufig bei Hochfrequenz-Leiterplatten auf, daher müssen Ingenieure besonders auf den Abstand der Komponenten achten, um eine Überhitzung der Platinen zu vermeiden.

8. Heatpipes richtig integrieren

Heatpipes in einer Leiterplatte können ebenfalls zur Wärmeverteilung beitragen. Die Flüssigkeit in den Rohren kann Wärme aufnehmen und verhindern, dass die Komponenten der Platine beschädigt werden.

9. Maximierung von RTI und MOT

Der relative thermische Index (RTI) und die maximale Betriebstemperatur (MOT) sind zwei relevante Messungen, auf die Ingenieure beim Design von PCBs besonders achten sollten.

RTI gibt die höchste Temperatur an, die ein Material aushalten kann, ohne seine Eigenschaften zu verändern oder seine Leistung zu verringern. MOT bezieht sich auf die höchste Temperatur, der eine bestimmte Leiterplattenkonfiguration widerstehen kann, ohne dass ihre Eigenschaften verändert oder ihre Leistung beeinträchtigt wird. Ingenieure sollten diese beiden Maße beim Design von PCBs berücksichtigen und Materialien und Schaltungskomponenten mit robuster Hitzebeständigkeit auswählen, wie durch diese Metriken bestimmt.

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