Überlegungen zum thermischen PCB-Design

Da Leistungskomponenten in immer kleineren Gehäusen für die Oberflächenmontage erhältlich sind, ist es wichtig, einen kohärenten Ansatz zu finden, um die Anforderungen an die Wärmeableitung dieser Komponenten in einem PCB-Design zu mindern. Während die Entwicklung einer exakten mathematischen Analyse der thermischen Eigenschaften eines PCB-Designs ein komplexer Prozess sein kann, ist es möglich, einige einfache Regeln anzuwenden, um die Wärmeleitung Ihres Designs zu verbessern. Letztendlich können Sie durch die richtige Kontrolle der Wärmeableitung in Ihrem Design ein zuverlässigeres und wirtschaftlicheres PCB-Design erstellen. Was folgt, ist eine kurze Diskussion des Standard-Wärmeableitungsmodells und dann einige allgemeine Regeln für den Umgang mit der Wärmeableitung in Ihren Designs.

Zunächst ist es wichtig, die Terminologie zu definieren, die im weiteren Verlauf dieses Eintrags verwendet wird. Die nächste Abbildung zeigt die verschiedenen Komponenten eines Leistungs-ICs, die wir bei der Erörterung des Wärmemanagements berücksichtigen müssen. Wir werden in diesem Artikel die Temperatur der Verbindungsstelle, der Oberseite und des Gehäuses der Komponente und ihren thermischen Widerstand gegenüber der Umgebung besprechen.

Mit diesen Begriffen in der Hand betrachten wir kurz das Standardmodell, mit dem die Wärmeableitung eines Bauteils simuliert wird. Der thermische Widerstand wird normalerweise als Widerstandsnetzwerk modelliert. Das Standardmodell für eine Komponente wird in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der dargestellten Abbildung T_J ist definiert als die Temperatur der Verbindungsstelle (des internen Arbeitsabschnitts der Komponente), T_T ist die Temperatur der "Oberseite" des Gehäuses (typischerweise das Kunststoffgehäuse der Komponente), T_C ist die Temperatur des "Gehäuses" (dies ist die Temperatur der hochwärmeleitenden Pads des Bauteils und der angebrachten Leiterplatte) und T_A ist die Umgebungstemperatur. Das Ziel des Elektronikdesigners ist es dann, einen möglichst geringen Wärmewiderstand zwischen der Verbindungsstelle und der Umgebung zu erzeugen. Mit Ausnahme von θ_CA , die thermischen Widerstände des Systems (θ_JT , θ_TA und θ_JC ) werden durch die Eigenschaften des Bauteils definiert und können dem Datenblatt des Bauteils entnommen werden. Als Leiterplattendesigner haben wir prinzipiell Einfluss auf den Wert von θ_CA , die von unserem PCB-Design abhängig ist. Daher besteht die primäre Herausforderung für den Entwickler darin, den thermischen Widerstand des IC-Gehäuses gegenüber der Umgebung zu verringern, indem dieser Widerstand verringert wird. Wie gut wir diesen thermischen Widerstand (θ_CA ) wird weitgehend die Temperaturdifferenz (oder deren Fehlen) definieren, die sich zwischen der Umgebung und der Verbindungsstelle der Komponente entwickelt.

Zu beachten ist, dass der andere Weg für die Wärmeleitung das Kunststoffgehäuse (oder die "Oberseite") der Komponente ist. Da die Kunststoffverpackung der meisten Leistungskomponenten keinen guten Wärmepfad zur Umgebung bietet, hängt die Effizienz der Wärmeableitung des Designs stärker von der Fähigkeit des Designs ab, Wärmeenergie durch sein Gehäuse an die Umgebung abzugeben. Die einzige Ausnahme ist, wenn der betreffende Leistungs-IC mit einem Wärmeleitpad konstruiert ist, das sich auf der Oberseite des Bauteils befindet. In diesem Fall ist der IC so ausgelegt, dass ein Kühlkörper direkt an der Oberseite des IC angebracht wird, und die Wärmeableitung des Bauteils durch seine "Oberseite" wird zu einem viel wichtigeren Faktor im Design.

Der Standardansatz zum Ableiten von Wärme von Leistungskomponenten besteht darin, die Leistungskomponenten über thermische Durchkontaktierungen thermisch mit benachbarten Kupferebenen zu verbinden. Dies wird typischerweise erreicht, indem eine Reihe von Durchkontaktierungen im Fußabdruck des Leistungs-IC platziert werden. Diese Durchkontaktierungen stellen eine thermische Verbindung zu den Kupferschichten unter dem IC her, die dann Wärme vom Bauteil wegleiten.

Je mehr Leistungskupferebenen durch die thermischen Durchkontaktierungen mit Leistungs-IC verbunden sind, desto höher ist die Effizienz der Wärmeableitung der PCB. z.B. Die Verwendung eines 4-Layer-Designs gegenüber einem 2-Layer-Design kann die Verlustleistung der Leiterplatte um bis zu 30 % erhöhen, wenn die gleiche Fläche dieser Designs verglichen wird.

Die folgenden Designregeln dienen als guter Ausgangspunkt, um sich den thermischen Überlegungen Ihres Designs zu nähern.

a. Um 1 Watt Leistung abzuleiten, lautet eine gute Faustregel, dass Ihre Platine eine Fläche von 15,3 cm² oder 2,4 Zoll² pro verbrauchtem Watt für einen Anstieg der Platinentemperatur um 40 °C haben muss. Wenn die Platine einem Luftstrom ausgesetzt ist, kann diese Anforderung halbiert werden (7,7 cm² oder 1,2 Zoll² pro Watt). Diese Werte setzen voraus, dass das Bauteil thermisch mit einer Kupferebene gekoppelt ist, die bis zu den Rändern der Platine reicht, und dass die Platine so positioniert ist, dass Luft auf beiden Seiten der Platine ungehindert umströmen kann. Wenn diese Anforderungen an die Leistungsdichte für Ihr Design zu einschränkend sind, kann der Einbau eines externen Kühlkörpers erforderlich sein. Außerdem ist ein Temperaturanstieg von 40 °C ein guter Ausgangspunkt, um die Temperatur Ihrer Leiterplatte zu kontrollieren.

b. Immer wenn mehr als eine Leistungskomponente auf einer Platine platziert wird, empfiehlt es sich, diese Komponenten so zu platzieren, dass Ihre Leiterplatte von diesen Komponenten gleichmäßig erwärmt wird. Große Temperaturunterschiede über die Länge Ihres PCB-Designs ermöglichen es Ihrer PCB nicht, Wärmeenergie optimal von den montierten Leistungskomponenten wegzuleiten. Sofern dem Konstrukteur zur Verfügung steht, kann die Thermografie die empirische Inspektion Ihrer Komponentenplatzierung ermöglichen, sobald eine Designüberarbeitung abgeschlossen ist.

c. Je mehr Durchkontaktierungen Sie unter Ihrem Bauteil platzieren können, desto besser überträgt Ihre Leiterplatte thermische Energie auf die angeschlossene Kupferebene. Ordnen Sie Vias an, um die Kontaktanzahl mit den Power-Pads Ihres Gehäuses (den großen wärmeleitenden Pads der Komponente) zu erhöhen.

d. In Designs, die höhere Wattzahlen abführen, müssen Sie höhere Kupfergewichte verwenden. 1 Unze Kupfer wird als Ausgangspunkt für Power-Designs empfohlen.

e. Bei der Verwendung eines Kupfergusses zur Ableitung von Wärmeenergie von einer Komponente ist es wichtig, dass der Guss nicht durch Spuren unterbrochen wird, die senkrecht zum Wärmepfad von der Leistungskomponente weg verlaufen.

f. Wenn ein Kühlkörper verwendet werden muss, um die Temperatur des Systems in Toleranz zu halten, ist anzumerken, dass der Kühlkörper typischerweise viel effektiver ist, wenn er so platziert wird, dass er thermisch mit dem Gehäuse der Komponente verbunden ist. Dies bedeutet typischerweise, dass der Kühlkörper an der gegenüberliegenden Seite der Platine von einer oberflächenmontierten Komponente angebracht wird. Während es verlockend sein mag, einen Kühlkörper direkt auf der Oberseite der Komponente zu platzieren, macht der Wärmewiderstand des Kunststoffgehäuses der Komponente den Kühlkörper wirkungslos. Wie oben erwähnt, sind die Ausnahmen von dieser Regel Verpackungen, die explizit dafür ausgelegt sind, Kühlkörper an ihren "Oberseiten" zu haben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die thermische Leistung eines Designs sehr wichtig ist, wenn Sie mit Leistungskomponenten arbeiten. Die Verwendung der in diesem Artikel vorgestellten Designregeln zu einem frühen Zeitpunkt im Designprozess Ihrer PCB ermöglicht Ihnen einen guten Start bei der Steuerung der Temperatur Ihrer PCB und ermöglicht es Ihnen, später im Entwicklungsprozess drastische Neudesigns zu vermeiden.

Hilfreiche Ressourcen
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