Os princípios mais abrangentes de design térmico para PCBs

Estima-se que mais da metade dos componentes eletrônicos falham devido ao alto estresse resultante do ambiente térmico. Nos últimos anos, vários dispositivos de circuitos integrados (ICs) de grande e hiperescala e tecnologia de montagem em superfície (SMT) e produtos eletrônicos começaram a adotar direções de desenvolvimento para miniaturização, alta densidade e alta confiabilidade. Assim, os sistemas eletrônicos estão exigindo cada vez mais requisitos de desempenho térmico. Afinal, nascido com o advento dos produtos eletrônicos, o gerenciamento térmico desempenha um papel crítico na determinação do desempenho e das funções dos sistemas eletrônicos.


Como espinha dorsal dos dispositivos eletrônicos, o design racional das PCBs (Placas de Circuito Impresso) garante seu alto desempenho. Se o design do PCB falhar parcialmente ou mesmo totalmente em atender aos requisitos térmicos, os dispositivos eletrônicos definitivamente sofrerão risco de danos ou até falha. A integridade em constante crescimento dos módulos de circuito e as aplicações massivas de ICs e módulo multi-chip (MCM) contribuem para a melhoria da densidade de montagem de componentes que, posteriormente, leva a uma maior densidade de fluxo de calor em PCBs. PCBs de alta qualidade não apenas derivam de layout e roteamento precisos e racionais, mas também contam com alta confiabilidade térmica para operação segura. Portanto, é muito importante implementar regras e análises abrangentes de dissipação térmica em PCBs. Este artigo começa com princípios de projeto térmico de inicialização e apresenta regras de projeto térmico amigáveis ​​para engenheiros para aplicação prática por projetistas de eletrônicos para seu trabalho.

Princípios básicos de projeto térmico

O projeto térmico é baseado na teoria básica de transferência de calor e mecânica dos fluidos. Onde há diferença de temperatura, há transferência de calor da zona de alta temperatura para a zona de baixa temperatura. A transferência de calor pode ser alcançada por condução de calor, convecção de calor e radiação de calor.


A fórmula de transferência de calor é apresentada como:φ=KAΔt, em que φ representa a quantidade de transmissão de calor cuja unidade é W, K representa o coeficiente de transmissão de calor cuja unidade é W/(m ² x K), A representa a área de transmissão de calor cuja unidade é m ² e Δt representa a diferença de temperatura entre o fluido térmico e o fluido frio cuja unidade é K.


O projeto térmico de PCBs é definido como o processo no qual a resistência térmica da fonte de calor ao espaço de consumo de calor é reduzida ao mínimo por meio de medidas de resfriamento por atributos de transmissão térmica ou densidade do fluido térmico é controlada para estar dentro de uma faixa aceitável. Para garantir sua confiabilidade, medidas válidas de projeto térmico devem ser tomadas nas seguintes perspectivas, incluindo:
a. Resfriamento natural, que conduz o calor sem força externa. Inclui condução de calor, transferência de calor por radiação e transferência de convecção natural.
b. Resfriamento de ar forçado. Faz o fluxo de ar de resfriamento através de dispositivos ou componentes eletrônicos, transferindo calor da fonte de calor para o dissipador de calor através do ventilador ou ar de ram.
c. Resfriamento de fluidos. Existem dois métodos de resfriamento fluido:
1). O resfriamento fluido direto refere-se ao processo durante o qual os componentes são embebidos diretamente no fluido refrigerante.
2). A refrigeração indireta do fluido refere-se ao processo durante o qual os componentes não estão diretamente em contato com o fluido refrigerante. No entanto, o resfriamento é realizado através de trocador de calor ou placa fria.
d. Resfriamento por evaporação. Atualmente, é o método de condução de calor mais eficaz. A transmissão térmica é obtida por ebulição do meio de resfriamento.
e. Outros tipos de medidas de refrigeração:termotubo, placa fria, refrigeração termoelétrica.


No processo de gerenciamento térmico, medidas adequadas de projeto térmico podem ser feitas de acordo com as condições práticas, como o ambiente de operação prática (temperatura, umidade, pressão atmosférica, poeira etc.), densidade do fluido térmico a bordo, densidade do volume de energia e consumo total de energia , área de superfície, volume, dissipador de calor e outras condições especiais, a fim de garantir a distribuição uniforme de temperatura e aumento de temperatura razoável dentro do valor limitado regulado.

Regras de projeto térmico

O objetivo geral do projeto térmico é controlar a temperatura de todos os componentes eletrônicos montados em placas de circuito dentro de produtos eletrônicos, para garantir a estabilidade do desempenho elétrico, evitar ou reduzir o desvio de temperatura dos parâmetros elétricos, diminuir a taxa básica de falhas dos componentes, e fazer com que a temperatura no ambiente de operação não ultrapasse a temperatura máxima permitida. Este artigo descreve as regras de projeto térmico de PCB em 3 perspectivas:a utilização de componentes em PCBs, projeto térmico de PCBs, montagem de componentes e layout de PCB.


uma. Utilização de Componentes Eletrônicos


1). Como controlar a temperatura de trabalho dos componentes?


A temperatura é o primeiro elemento que afeta o desempenho do componente e a taxa de falha. A temperatura de trabalho mais alta permitida e o consumo de energia devem ser determinados de acordo com o nível de confiabilidade exigido e a taxa de falha distribuída de cada componente. A Tabela 1 mostra os valores de temperatura máxima admissível da superfície dos componentes sob a perspectiva da confiabilidade em projeto térmico.

Componentes	Max. SurfaceTemp/°C	Componentes	Max. SurfaceTemp/°C
Transformador, estrangulador	95	Capacitor de cerâmica	80-85
Resistor de filme metálico	100	Capacitor de cerâmica de vidro	200
Resistor de filme de carbono	120	Transistor de silício	150-200
Resistor de filme de paládio	200	Transistor de germânio	70-90
Resistor enrolado em fio prensado	150	Tubo de vácuo	15-200
Resistor impresso	85	Pacote plano totalmente selado CMOS	125
Resistor enrolado em fio de pintura	225	DIP de cerâmica, DIP de porcelana preta	/
Capacitor de papel	75-85	DIP plástico CMOS	85
Capacitor de filme	60-130	TTL CI de pequena escala	25-125
Capacitor de mica	70-120	IC TTL de escala média	70-85

2). Como controlar a temperatura da junção do componente?


A temperatura da junção do componente depende do seu próprio consumo de energia, resistência térmica e temperatura ambiente. Assim, as medidas de controle da temperatura de junção dentro de uma faixa permitida incluem:
• Componentes com baixa resistência térmica interna são captados.
• Derating é usado para diminuir o aumento da temperatura.
• Circuitos, especialmente aqueles que contêm componentes de energia, devem depender de projeto térmico elaborado para confiabilidade com diretrizes descritas no manual padrão conforme.


3). Como projetar derating quando os componentes são usados?


Com base nas necessidades, o projeto de redução de potência pode ser implementado em uso prático para fazer com que os componentes funcionem na condição abaixo do parâmetro nominal (potência, tensão, corrente) para que o aumento da temperatura e a taxa de falha sejam drasticamente reduzidos.


b. Regras de projeto térmico de PCBs


A montagem vertical de PCBs é benéfica para a dissipação de calor e a distância entre as placas deve ser mantida em pelo menos 20 mm. As regras de design térmico da placa incluem:1). Material com capacidade de anti alta temperatura e parâmetro de alta condução é escolhido como material de substrato de PCBs. Quando se trata de circuitos de alta potência e densidade, base de alumínio e cerâmica podem ser usados ​​como material de substrato devido à sua baixa resistência térmica (o PCBCart é totalmente capaz de fabricar PCBs com esses materiais de substrato. Você pode enviar seus arquivos de PCB junto com a quantidade necessária nesta página para cotação de PCBs à base de alumínio e cerâmica).
2). A estrutura Multi-layer é uma escolha óptima para a dissipação térmica do PWB. 3). Para melhorar a capacidade de condução de calor das placas de circuito, é melhor usar placas que dissipam o calor. A placa de núcleo metálico pode ser aplicada em PCBs multicamadas para obter uma excelente dissipação de calor entre a placa, dispositivos de suporte e dispositivos de dissipação de calor. Revestimento protetor e material de encapsulamento podem ser usados, se necessário, para acelerar a transmissão térmica para dispositivos de suporte ou dispositivos de dissipação de calor.

4). Para aumentar a capacidade de dissipação de calor dos PCBs, pode ser usado um barramento, que pode ser considerado um excelente radiador e é capaz de aumentar o desempenho anti-interferência dos PCBs.
5). Para melhorar a capacidade de dissipação térmica dos PCBs, a espessura da folha de metal deve ser aumentada e o condutor interno deve usar folha de metal com grande área. Além disso, a largura das linhas de aterramento deve ser aumentada adequadamente porque as linhas de aterramento com grande área são capazes de aumentar a capacidade anti-interferência e dissipar a capacidade de calor.


c. Montagem de componentes e layout de PCB


O layout dos componentes é essencial para o desempenho térmico dos PCBs, especialmente aqueles que são colocados verticalmente. A direção de montagem do componente deve estar de acordo com as características de fluxo do refrigerante para fornecer o refrigerante com a menor resistência. As regras aplicáveis ​​aos componentes em termos de montagem e layout incluem:


1). Para os produtos com método de resfriamento de ar por convecção livre, é melhor organizar os CIs ou outros componentes em arranjos longitudinais conforme o exemplo exibido na Figura 2 abaixo. Para os produtos com método de resfriamento de ar forçado, é melhor organizar os CIs ou outros componentes em um arranjo lalongado, conforme o exemplo exibido na Figura 3 abaixo.

2). Os componentes na mesma PCB devem ser classificados e colocados de acordo com sua produtividade de calor e nível de dissipação de calor. Componentes com baixa produtividade ao calor ou baixa resistência ao calor (transistor de sinal pequeno, CI de pequena escala, capacitor eletrolítico, etc.) IC, etc.) devem ser colocados a jusante. Na periferia dos amplificadores de pequenos sinais devem ser colocados componentes com pequena variação de temperatura e capacitores de meio líquido devem estar longe da fonte de calor.
3). Na direção horizontal, os componentes de alta frequência devem ser dispostos adjacentes à borda dos PCBs para minimizar o caminho de transmissão de calor. Na direção vertical, os componentes de alta frequência devem ser dispostos próximos à parte superior das PCBs para diminuir sua influência na temperatura dos demais componentes.
4). Os componentes sensíveis à temperatura devem ser dispostos na área com a temperatura mais baixa, como a parte inferior de um produto. Eles não devem ser colocados logo acima dos componentes geradores de calor e devem ser colocados longe dos componentes geradores de calor ou isolados deles.
5). Componentes com maior consumo de energia e geração de calor devem ser dispostos adjacentes ao melhor local para dissipação de calor. Nunca organize componentes com alta temperatura no canto ou na borda, a menos que os radiadores estejam dispostos ao redor deles. Ao organizar os resistores de potência, componentes relativamente grandes devem ser escolhidos e espaço suficiente para dissipação de calor deve ser deixado para eles no processo de layout do PCB.
6). A energia deve ser distribuída uniformemente nos PCBs para manter o equilíbrio e a conformidade e evitar a concentração de pontos de calor. É difícil alcançar uma uniformidade estrita, mas áreas com potência extremamente alta devem ser evitadas, caso pontos superaquecidos possam quebrar o funcionamento normal de todo o circuito.
7). No processo de projeto de PCB, o caminho do fluxo de ar deve ser levado em consideração e os componentes devem ser organizados de forma razoável. O ar tende a fluir em direção ao local com pouca resistência, portanto, espaço aéreo relativamente grande deve ser evitado ao organizar componentes em PCBs.
8). A tecnologia de montagem térmica deve ser aplicada em placas de circuito para obter um efeito de transmissão de calor relativamente bom. Mais da metade do calor gerado por componentes como CIs e microprocessadores é transmitido para PCBs por meio de seus próprios condutores cujos orifícios de montagem devem usar orifícios de revestimento de metal. Esses componentes também podem ser montados diretamente na vara ou placa de condução térmica para reduzir a resistência térmica causada pelos componentes.
9). A resistência térmica deve ser diminuída o máximo possível nas conexões entre componentes com alta dissipação de calor e PCBs. Para atender aos requisitos de atributos de calor, alguns materiais de condução de calor podem ser usados ​​sob o chip e a dissipação de calor dos componentes na área de contato deve ser mantida.
10). Pinos de componentes devem ser encurtados na conexão de componentes e PCBs. Ao selecionar componentes com alto consumo de energia, a condutividade do material de chumbo deve ser considerada. Se possível, escolha componentes cujos condutores tenham seção transversal maior e que tenham mais pinos.


d. Outro requisito
1). Pacote de componentes:o tipo de pacote de componentes e a taxa de condução de calor devem ser considerados no projeto térmico do PCB. O caminho de condução de calor pode ser fornecido entre o substrato e o pacote de componentes e a ruptura de ar deve ser evitada no caminho de condução de calor.
2). Método da técnica:a alta temperatura local pode ser causada nas áreas com componentes em ambos os lados da placa. Para alterar a condição de dissipação de calor, um pouco de cobre fino pode ser adicionado à pasta de solda para que os pontos de solda subam até uma certa altura sob os componentes. O espaço aéreo é aumentado entre os componentes e o PCB para que a convecção térmica possa ser melhorada.
3). Furos de dissipação de calor:alguns furos de dissipação de calor e furos cegos podem ser dispostos em PCBs para que a área de dissipação de calor possa ser efetivamente aumentada, a resistência térmica possa ser diminuída e a densidade de potência dos PCBs possa ser aumentada.

Análise Térmica

Com base na transferência de calor computacional, a análise térmica cujos métodos de computação numérica incluem principalmente o método das diferenças finitas, o método dos elementos finitos e o método dos elementos de contorno, referindo-se ao processo de simplificar módulos, estabelecer módulos matemáticos, resolver equações não lineares, fazer e ajustar procedimentos analíticos e cálculo, medição e teste de parâmetros térmicos.


Como aspecto fundamental do projeto térmico, a análise térmica é um método importante para avaliar a importância do projeto térmico. A análise térmica de PCB refere-se ao processo de estabelecer o módulo térmico de componentes e definir parâmetros de controle de simulação de acordo com a estrutura e matéria-prima dos PCBs, tipo de pacote de componentes e ambiente operacional do PCB para estimar valores de comportamentos térmicos dos PCBs. A análise térmica deve ser realizada na fase de conceito antes do layout e ao longo de todo o processo de projeto do PCB.


Valores de temperatura do componente, temperatura da placa e temperatura do fluxo de ar podem ser obtidos a partir da análise térmica, exibindo os atributos térmicos das PCBs na forma de imagens coloridas, gráficos visuais de isotérmica de temperatura ou dados específicos.


Com base no resultado da análise térmica, os problemas térmicos do PCB podem ser descobertos rapidamente e medidas oportunas podem ser tomadas adequadamente e áreas densas de alta temperatura podem ser eliminadas, o que determinará o caminho de condução de calor, otimizará as posições dos principais componentes, a forma de radiador e tamanho para aproveitar totalmente a taxa de dissipação de calor, aumentar a eficiência de transmissão de calor dos orifícios e radiadores de dissipação de calor e determinar o espaço entre as placas e os componentes nas placas.

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