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Efficace Gestione termica dei PCB non è solo una considerazione progettuale, ma un requisito fondamentale per l'affidabilità. Fino a 55% dei guasti delle schede elettroniche sono causati dal calore!
Ricordo vividamente la prima (e spero ultima) volta che un circuito stampato ha preso fuoco. Il fumo uscì da un resistore e le fiamme si propagarono rapidamente ai condensatori di disaccoppiamento vicini. Fortunatamente i danni erano minimi e la maggior parte dei componenti poteva essere riparata. La causa non è stata un cortocircuito, ma piuttosto un difetto di progettazione nel layout della scheda.
Questo articolo è una guida completa alla gestione termica dei circuiti stampati. Esploreremo le cause principali della generazione di calore, approfondiremo i principi del trasferimento di calore e forniremo strategie attuabili, dalla selezione dei materiali all'ottimizzazione del layout, fino alle soluzioni di gestione termica attiva, per garantire che i vostri progetti rimangano freschi, stabili e affidabili.
Perché la gestione termica è fondamentale nella progettazione dei PCB?
Le apparecchiature elettroniche nel processo di funzionamento producono una certa quantità di calore, che non porta mai a un rapido aumento della temperatura interna dell'apparecchiatura.
L'aumento della temperatura influisce sul funzionamento dei componenti attivi e passivi all'interno del sistema. circuiti integraticon conseguenti malfunzionamenti o guasti completi. Tali guasti comprendono la fuga termica, il guasto della giunzione, il guasto della metallizzazione, la corrosione, la deriva della resistenza e la diffusione dell'elettromigrazione.
Cause principali della generazione di calore e del surriscaldamento dei PCB
Quali sono i fattori che fanno sì che i PCB generino troppo calore?
- Miniaturizzazione continua significa più compatto PCBcon componenti strettamente collegati tra loro. Ciò comporta un aumento della densità di potenza e della concentrazione di calore.
- I moderni componenti elettronici generano essi stessi notevoli quantità di calore. Ad esempio, la luminosità elevata LEDI dispositivi di potenza, i circuiti integrati e le CPU sono produttori di calore.
- Calore generato dalla corrente attraverso le linee dei circuiti stampati. Secondo la legge di Joule, il calore viene generato nella resistenza quando la corrente passa attraverso i conduttori, come i fili e le piazzole sul PCB.
- Perdita di segnale ad alta frequenza: In circuiti ad alta frequenzaIl segnale genera calore a causa della perdita dielettrica, della perdita di conduttore, ecc. durante il processo di trasmissione su PCB.
Comprendere i meccanismi di trasferimento del calore
Dopo aver compreso le cause della generazione di calore, approfondiamo i principi e i meccanismi di trasferimento del calore per comprendere meglio le tecniche di dissipazione del calore dei PCB.
Tre modi di trasferire il calore
Il calore si trasmette in tre modi principali: conduzione, convezione e irraggiamento.
- Conduzione: Trasferimento di calore attraverso solidi. Sui circuiti stampati si trasferisce principalmente attraverso gli allineamenti di rame e substrati.
- Convezione: Trasferimento di calore attraverso movimento fluido. Il movimento dell'aria intorno al PCB induce la convezione.
- Radiazioni: Il calore si irradia come energia a infrarossi. Raffreddamento radiativo dalle superfici dei PCB.
I principali metodi di controllo termico dei PCB sono la conduzione attraverso la scheda e la convezione dell'aria. La radiazione è importante solo a temperature molto elevate.
Il concetto di resistenza termica
La resistenza termica indica la differenza di temperatura quando il calore fluisce attraverso un materiale. Una bassa resistenza consente un trasferimento di calore più rapido.
- Come ridurre la resistenza termica?
- Accorciare il percorso termico tra i componenti e i dissipatori di calore
- Aumento della sezione trasversale per il flusso di calore
- Selezionare materiali con una maggiore conducibilità termica
Tecniche efficienti di gestione termica dei PCB
Una gestione termica efficiente dei circuiti stampati richiede una combinazione di simulazione, test e strategie pratiche di progettazione.
Ottimizzazione del layout del PCB per una migliore dissipazione del calore
La strategia generale per la gestione termica prevede progettazione del PCB stesso in modo da massimizzare la dissipazione del calore.
Gestire il posizionamento dei componenti
Il raggruppamento di molti componenti che generano calore crea punti caldi. Pertanto:
- Distribuire componenti ad alta potenza uniformemente per evitare hotspot locali.
- Isolare i componenti che generano calore con un Spaziatura minima di 3 mm. Evitare di posizionarli agli angoli o ai bordi della scheda, a meno che non siano presenti strumenti per la dissipazione del calore.
- Isolare i circuiti integrati sensibili al calore dai componenti caldi.
- Posizionare i dissipatori di calore in una posizione ottimalen per dissipare il calore dai componenti caldi.
- Montare i circuiti integrati in orizzontale per la convezione dell'aria tra le alette.
- Posizionare i dispositivi sensibili alla temperatura nelle parti più fredde. del PCB, ad esempio la parte inferiore della scheda.
- Separato ad alta potenza da tracce sensibili al calore.
Selezionare i materiali adatti alla dissipazione del calore
Il coefficiente di espansione termica (CTE) tra i componenti e la scheda deve corrispondere per ridurre al minimo le sollecitazioni termiche.
| Materiale | Conduttività termica (W/m-K) | Proprietà chiave | Il migliore per |
| Nitruro di alluminio (AlN) | 150-220 | Conducibilità molto elevata, basso disallineamento CTE | Estremamente potente, RF |
| PCB con nucleo in rame | 380-400 (nucleo) | Diffusione efficiente del calore, strato dielettrico | LED ad alta potenza, automotive |
| Allumina (Al₂O₃) | 20-30 | Buona conduttività, conveniente | Moduli di potenza, sensori |
| PCB con nucleo in alluminio | 200-210 (core) | Leggero, il dielettrico limita la conduzione | Applicazioni di media potenza |
| Laminato di quarzo | 1-2 | Basso CTE, stabile a temperature elevate | Aerospaziale, strumenti di precisione |
| FR-4 | 0.3-0.4 | Basso costo, scarse prestazioni termiche | Elettronica di consumo a basso consumo |
Oltre a scegliere i materiali adatti per il Substrato PCBLa dissipazione termica può essere migliorata aumentando lo spessore.
| Spessore del substrato | Indice di capacità termica | Scenari applicativi tipici |
| 0,8 mm | 1.0x | Dispositivi con consumo energetico <5W |
| 1,6 mm | 2.3x | Controllori industriali |
| 2,4 mm | 3.8x | Moduli di ricarica per veicoli elettrici |
Considerate i pesi in rame
Il rame più spesso ha una resistenza termica inferiore:
- Utilizzo rame pesante strati di 2 oz/ft2 o più per le aree ad alta potenza.
- Le ampie tracce di rame allontanano rapidamente il calore dai dispositivi caldi.
- I piani in rame massiccio diffondono il calore sul PCB.
- È inoltre possibile progettare una grande colata di rame o una lamina di rame di messa a terra per aiutare a dissipare il calore.
- Aggiunta di tubi termici
- I vialetti termici forniscono percorsi di conduzione a bassa resistenza attraverso il PCB:
- Posizionare una serie di vias vicino ai dispositivi caldi.
- I vias riempiti di rame sono migliori dei vias vuoti.
Luogo vias sotto il cuscinetto termico del dispositivo caldo per il raffreddamento diretto.
Privilegiare i piani di potenza e di terra
Buona potenza e piani di terra ridurre le temperature dei PCB:
- Creare alimentazione continua e messa a terra in rame piani sugli strati interni.
- Collegare i piani a uno strato esterno di riempimento in rame più grande per la diffusione del calore.
- Isolare leggermente i piani di alimentazione e di terra per ridurre l'accoppiamento capacitivo.
In breve, le prestazioni termiche devono essere prese in considerazione dai progettisti durante la progettazione e la scelta dei materiali.
Utilizzare tecniche di raffreddamento attivo
Ovunque il Progettazione di PCB non è sufficiente per la rimozione del calore, è necessario ricorrere a metodi attivi di rimozione del calore.
Dissipatori di calore
I dissipatori di calore sono canali o alette montati su componenti caldi per fornire una maggiore superficie di raffreddamento. Alcuni degli elementi più significativi della progettazione dei dissipatori di calore sono:
- Conduttività termica del materiale - Alluminio o rame ottimale
- Superficie per un migliore trasferimento di calore
- Vicinanza a componenti caldi
- Materiale per l'interfaccia termica come adesivo o grasso tra il componente e il dissipatore
- Forma, distanza e orientamento del dissipatore di calore rispetto al flusso d'aria
I dissipatori di calore forniscono un raffreddamento passivo a consumo energetico zero. Sono sufficienti per flussi di calore medi.
Ventole di raffreddamento
I ventilatori garantiscono la convezione forzata dell'aria:
- Il flusso d'aria aumenta il trasferimento di calore dalle superfici della scheda e dalle alette.
- La conduzione del calore verso l'aria ambiente aumenta.
- L'orientamento corretto per guidare efficacemente il flusso d'aria è molto importante.
Le ventole funzionano al meglio in combinazione con dissipatori di calore e heat pipe. Le ventole possono raffreddare attivamente schede ad altissima densità di potenza.
Tubi di calore
I tubi di calore consentono un trasferimento di calore molto efficiente:
- Sono sigillati con un fluido che evapora e si condensa, trasportando calore.
- La struttura interna dello stoppino ricicla il liquido condensato per azione capillare.
- L'assenza di parti in movimento consente un funzionamento silenzioso e a bassa usura.
I limiti sono la capacità di trasferimento del calore fissa e la necessità di un allineamento accurato. Nel complesso, le heat pipe forniscono un eccellente raffreddamento per i punti caldi dei PCB.
Modellazione e test termici
L'ottimizzazione della gestione termica dei PCB inizia a livello di progettazione attraverso una simulazione avanzata. software come ANSYS, SolidWorks Thermal e Thermal Desktop.
Il software consente ai progettisti di prevedere la distribuzione della temperatura, di identificare i punti caldi indotti dal layout, di analizzare il flusso di calore, di valutare le prestazioni dei dissipatori di calore e di confrontare l'impatto termico di diversi materiali o sistemi di raffreddamento.
Dopo la produzione dei prototipi, i test termici sui PCB confermano queste simulazioni in condizioni reali. Le telecamere a infrarossi catturano con precisione i punti caldi, le termocoppie misurano le temperature operative effettive, le gallerie del vento testano l'efficienza del raffreddamento del flusso d'aria e i test di urto o vibrazione quantificano le sollecitazioni dei cicli termici.
La combinazione di simulazione e test garantisce prestazioni termiche affidabili, progetti di raffreddamento ottimizzati e una maggiore affidabilità a lungo termine dei PCB.
Conclusione
In breve, la corretta gestione termica è fondamentale dalla fase iniziale di progettazione fino alla realizzazione del progetto. produzione di PCB efficienti e ad alte prestazioni. Le tecniche di progettazione termica facilitano la dissipazione del calore attraverso la conduzione, la convezione e l'irraggiamento. Queste sono le il miglior posizionamento dei componenti, i materiali del substrato adatti per motivi termici, i pesi di rame, le vias termiche e i piani di alimentazione/massa.
Quando la sola progettazione di PCB è inadeguata, soluzioni di raffreddamento attivo come dissipatori di calore, ventole e tubi di calore sono i rimedi. Cercate di utilizzare strumenti di simulazione e test di modellazione termica per migliorare la dissipazione del calore.
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