Design von Hochleistungs-PCB in Hochtemperaturumgebung

Als die am weitesten verbreitete integrierte Plattform für Komponenten verbinden mehrschichtige Leiterplatten Leiterplatten und Komponenten miteinander. Da elektronische Produkte leicht, dünn und klein werden und eine hohe Leistung aufweisen, sind IC-Komponenten hochgradig integriert, was zu einer hohen Integrität von PCBs führt. Als Ergebnis hat die Wärmeerzeugung offensichtlich zugenommen, und die Wärmedichte von PCBs ist zunehmend gestiegen, insbesondere wegen der Massennutzung von Hochfrequenz-IC-Komponenten, wie A/D- oder D/A-Typen, und der Erhöhung der Schaltungsfrequenz. Wenn massive Wärmeverluste nicht abgeführt werden, wird die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte stark beeinträchtigt. Laut Statistik ist die Temperatur unter den Elementen, die zum Ausfall elektronischer Geräte führen, mit bis zu 55 % die Hauptursache. Mit steigender Temperatur steigt die Ausfallrate elektronischer Bauteile exponentiell an. Sobald die Umgebungstemperatur um 10 °C ansteigt, kann die Ausfallrate einiger elektronischer Komponenten auf das Doppelte ansteigen. Bei Luft- und Raumfahrtprodukten kann diese Art des thermischen Steuerungsdesigns nicht einmal ignoriert werden, da die ungeeignete Designmethode für alle Arten von Schaltkreisen in speziellen Umgebungen möglicherweise zum vollständigen Ausfall des gesamten Systems führt. Daher muss dem thermischen Design während des PCB-Designs viel Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Die Analyse sollte mit der Ursachenanalyse beginnen. Die direkte Ursache der hohen Temperatur von Leiterplatten liegt in der Existenz von Stromverbrauchskomponenten. Jede Komponente hat einen unterschiedlichen Stromverbrauch, der die Änderung der thermischen Stärke hervorruft. Es gibt zwei Arten von Temperaturerhöhungsphänomenen:lokaler Temperaturanstieg oder großflächiger Temperaturanstieg und kurzzeitiger Temperaturanstieg oder langfristiger Temperaturanstieg. Die Wärmeübertragung hat 3 Wege:Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung. Strahlung verteilt Wärme durch elektromagnetische Wellenbewegungen, die durch den Raum gehen. Da die Strahlungsdissipation eine relativ geringe Wärmemenge aufweist, wird sie üblicherweise als unterstütztes Dissipationsverfahren angesehen. In diesem Abschnitt wird eine Lösung für die Wärmeableitung von Leiterplatten im Prozess des Langzeitbetriebs in einer Umgebung mit hohen Temperaturen basierend auf der Wärmeleitungs- und Kühlkörper-Transientenwärmespeichertechnologie mit einer Art Servo-Leiterplatte als Beispiel vorgestellt.

Auf dieser Servoplatine befinden sich 2 Leistungsverstärkerchips mit einer Leistung von 2 W, 2 R/D-Umwandlungschips, 2 CPU-Chips, 1 EPLD-Chip und 1 A/D-Umwandlungschip. Die Gesamtleistung dieser Servoplatine beträgt 9W. Die Servoplatine wird in einer luftdichten Umgebung mit begrenzter Luftkonvektion installiert. Außerdem kann aufgrund des begrenzten Platzes keine Kühlplattenableitung auf der Servoplatine installiert werden. Um den normalen Betrieb der Servo-Leiterplatte zu gewährleisten, können nur Wärmeleitung und transiente Wärmespeichertechnologie des Kühlkörpers verwendet werden, um die von der Leiterplatte erzeugte Wärme auf den Körper zu übertragen.

Es ist eine gängige Methode, Wärme durch Metallkern-Leiterplatten abzuleiten. Zunächst wird eine Metallplatine mit hervorragender Wärmeleitung zwischen eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet. Dann wird die Wärme direkt von der Metallplatine abgeführt oder es wird eine disjunktive Ausrüstung mit der Metallplatine verbunden, um die Wärme abzuleiten. Die Betriebsstruktur ist in Abbildung 1 dargestellt.

Das Hauptmaterial der Metallkern-PCB umfasst Aluminium, Kupfer und Stahl. Es kann auch als Grundschicht verwendet werden. Die obere Schicht und die untere Schicht der Metallkern-PCB können durch plattierte Durchgangslöcher miteinander verbunden werden, und Wärme kann auf die innere Schicht und die Oberfläche der Metallkern-PCB übertragen werden. Durch das Boden- und Wärmeleitloch können Heizelemente direkt auf die Platine gelötet werden. Dadurch wird die von den Heizelementen erzeugte Wärme direkt auf die Metallkern-Leiterplatte übertragen, die die Wärme durch das Wärmeleitloch an das Tangentialchassis überträgt und nach außen leitet. Leiterplatten mit einem solchen Aufbau haben eine breite Palette von Anwendungen, können aber auch einige Probleme aufwerfen. Metallkern-Leiterplatten sind so dick, dass es bei der ungleichmäßigen Wärmeableitung zu Verformungen kommt, was zu einem losen Kontakt zwischen Chips auf Leiterplatten und Stiften führt. Metallkern-Leiterplatten leiten die Wärme einfach und schnell ab, was enorme Schwierigkeiten beim Chipwechsel und im Prozess des Chipwechsels mit sich bringt; Die lokale Wärmeanziehung von Metallkern-Leiterplatten führt zu einer ernsthaften Verformung der Leiterplatten. Es ist nachgewiesen, dass eine Leiterplatte umso leichter verformt wird, je größer sie ist.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, muss das Design auf Metallkern-PCBs aktualisiert werden:

a. 4-lagige Kupferfolie mit einer Dicke von 0,15 mm kann in Leiterplatten eingeklemmt werden, sodass die Dicke der Leiterplatten um 3 mm erhöht werden kann, um sicherzustellen, dass Leiterplatten nicht leicht verformt werden und die Zuverlässigkeit der Durchgangsbohrung steigt.

b. Bei Chips mit einer Wärmeerzeugung von 2 W kann ein SMT-Pad an der Unterseite der Chips hinzugefügt werden, um die Wärme auf die Metallschicht der Leiterplatte zu übertragen.

c. Der Chipboden ist in der Lage, Wärme durch die Kupferfolie mit einer großen Fläche und einem Wärmeleitungsdurchgangsloch auf die innere Kupferfolienschicht zu übertragen.

d. Die Isolierschicht auf beiden Seiten der Leiterplatte kann abgefräst werden, um die Metallisierung der Leiterplattenkanten zu realisieren. Die Wärmeableitung kann durch den Kontakt zwischen blanker Leiterplatte und Sockel erreicht werden. Die Installation kann mit 36 ​​Schrauben abgeschlossen werden, um die Wärmeleitung von Leiterplatte und Gehäuse zu erhöhen.

Nach Umsetzung der oben genannten Maßnahmen ist das verbesserte PCB-Design in Bild 2 dargestellt.

Um die Simulationsmodellierung und -analyse auf Servo-Leiterplatten einzurichten, wird die Software FLoTHERM für Wärmesituationen bei elektronischen Geräten verwendet. Die Randbedingung der Servoplatine ist:Die Umgebung ist 65°C bei einer Betriebszeit von 90 Minuten. Die Komponenten auf der Servo-Leiterplatte erfüllen alle die X-Derating-Anforderung. Die zulässige Körpertemperatur jeder Komponente ist in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Die Hauptleistungskomponenten auf der Servo-Leiterplatte umfassen 2 Chips (49,76 mm x 41,4 mm), von denen jeder einen Wärmeverbrauch von 2 W hat. Der Wärmeverbrauch anderer Komponenten auf der Servo-Leiterplatte beträgt insgesamt 5 W und der Wärmeverbrauch der gesamten Leiterplatte beträgt 9 W, die Servo-Antriebskomponenten 10 W, das Netzteil 40 W und der Gesamtwärmeverbrauch von Servo und Netzteil beträgt 59 W.

Die Temperatur des Servosteuerchips ist in Abbildung 3 dargestellt.

Die Wärmeanalyse des 90-minütigen Betriebs in der Umgebung von 65°C zeigt:Während des kontinuierlichen 30-minütigen Betriebs steigt die Temperatur des Chips schnell an und erreicht 72°C darüber; Während des 50-minütigen Betriebs bleibt die Temperatur des Chips allmählich stabil; im Betrieb für ununterbrochene 90 Minuten; die Körpertemperatur des 2-W-Chips (87 ° C) beträgt 77,9 ° C; die Körpertemperatur des 0,6-W-Chips (87 ° C) beträgt 84 ° C; die Körpertemperatur des 0,5-W-Chips (87 ° C) beträgt 78,2 ° C; Die Körpertemperatur des 0,5-W-Chips (85 ° C) beträgt 77 ° C.

Basierend auf den Betriebsbedingungen des Berechnungs- und Simulationswärmedesigns bleibt die Temperatur des Servosteuerungschips im angemessenen Bereich. Im Prozess der theoretischen Analyse gibt es standardmäßig keinen Abstand zwischen Chips und PCB. Aber während des eigentlichen Installationsprozesses gibt es möglicherweise etwas Platz zwischen ihnen und Silicagel kann verwendet werden, um den Raum zu füllen, um den Wärmeableitungseffekt von PCB zu gewährleisten.

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