Projeto de PCB de alta potência em ambiente de alta temperatura

Como a plataforma integrada de componentes mais comum, os PCBs multicamadas conectam placas de circuito e componentes. Com os produtos eletrônicos se tornando leves, finos e pequenos em tamanho e com alto desempenho, os componentes IC tornaram-se altamente integrados, levando à alta integridade dos PCBs. Como resultado, a produção de calor obviamente aumentou e a densidade térmica dos PCBs aumentou cada vez mais, especialmente devido à utilização em massa de componentes IC de alta frequência, como o tipo A/D ou D/A, e o aumento da frequência do circuito. Se a perda térmica maciça não for enviada, a confiabilidade do equipamento eletrônico será bastante influenciada. Segundo as estatísticas, entre os elementos que levam à falha de equipamentos eletrônicos, a temperatura chega a 55%, como a principal causa. Com o aumento da temperatura, a taxa de falha dos componentes eletrônicos aumentará exponencialmente. Uma vez que a temperatura ambiente aumenta em 10°C, a taxa de falha de alguns componentes eletrônicos pode aumentar para o dobro. Para produtos aeroespaciais, esse tipo de projeto de controle térmico não pode ser ignorado, pois o método de projeto inadequado para todos os tipos de circuitos em ambientes especiais possivelmente resultará na falha completa de todo o sistema. Portanto, muita atenção deve ser dada ao projeto térmico durante o projeto de PCB.


A análise deve começar com a análise de causa. A causa direta da alta temperatura dos PCBs está na existência de componentes de consumo de energia. Cada componente tem um consumo de energia em uma extensão diferente que provoca a alteração da resistência térmica. Existem 2 tipos de fenômenos de aumento de temperatura:aumento de temperatura local ou aumento de temperatura de grande área e aumento de temperatura de curto prazo ou aumento de temperatura de longo prazo. A transferência de calor tem 3 formas:condução de calor, convecção de calor e radiação de calor. A radiação dissipa o calor através do movimento de ondas eletromagnéticas que passam pelo espaço. Como a dissipação de radiação apresenta uma quantidade relativamente baixa de calor, geralmente é considerada um método de dissipação assistida. Esta passagem apresentará uma solução para dissipação de calor de PCB no processo de operação de longo prazo em ambiente com alta temperatura com base na condução de calor e tecnologia de armazenamento de calor transiente do dissipador de calor com um tipo de PCB servo como exemplo.


Neste servo PCB, existem 2 chips amplificadores de potência com potência de 2W, 2 chips de conversão R/D, 2 chips de CPU, 1 chip EPLD e 1 chip de conversão A/D. A potência total deste servo PCB é de 9W. O servo PCB é instalado em um ambiente hermético com convecção de ar limitada. Além disso, devido ao espaço limitado, a dissipação de placas frias não pode ser instalada no servo PCB. A fim de garantir a operação normal do servo PCB, apenas a condução de calor e a tecnologia de armazenamento de calor transiente do dissipador de calor podem ser utilizadas para transferir o calor produzido do PCB para o corpo.


É um método comum para dissipar o calor através do PCB com núcleo de metal. Primeiro, uma placa de metal com excelente condução de calor é embutida entre uma PCB multicamada. Em seguida, o calor é dissipado diretamente da placa de metal ou o equipamento disjuntivo é conectado à placa de metal para dissipar o calor. A estrutura operacional é mostrada na Figura 1.

O material principal do núcleo de metal PCB cobre alumínio, cobre e aço. Ele também pode ser usado como a camada de solo. A camada superior e a camada inferior do PCB com núcleo de metal podem ser interconectadas através do orifício chapeado e o calor pode ser transferido na camada interna e na superfície do PCB com núcleo de metal. Os elementos de aquecimento podem ser soldados diretamente na placa através do orifício inferior e de condução de calor. Como resultado, o calor gerado pelos elementos de aquecimento é transferido diretamente para o PCB de núcleo metálico que transmite o calor ao chassi tangente pelo orifício de condução de calor e o envia. PCBs com essa estrutura têm uma ampla série de aplicações, mas também podem causar alguns problemas. Os PCBs com núcleo de metal são tão espessos que a deformação tende a ocorrer na dissipação de calor desigual, levando ao contato solto entre os chips nos PCBs e os pinos. É fácil e rápido para os PCBs de núcleo metálico dissipar o calor, o que traz enormes dificuldades para a troca de chip e no processo de troca de chip; a atração de calor local de PCBs com núcleo de metal levará à séria deformação de PCBs. Verifica-se que quanto maior a área de uma PCB, mais facilmente ela é deformada.


Para resolver os problemas acima, o projeto de atualização deve ser feito para PCBs com núcleo de metal:

uma. A folha de cobre de 4 camadas com espessura de 0,15 mm pode ser cortada em PCBs para que a espessura dos PCBs possa aumentar em 3 mm para garantir que os PCBs não sejam deformados facilmente e a confiabilidade do furo passante aumente.

b. Quanto aos chips com geração de calor de 2W, a almofada SMT pode ser adicionada ao fundo dos chips para transferir o calor para a camada metálica do PCB.

c. O fundo do chip é capaz de transferir calor para a camada interna de folha de cobre pela folha de cobre com uma grande área e condução de calor através do orifício.

d. A camada isolante em ambos os lados do PCB pode ser fresada para realizar a metalização da borda do PCB. A dissipação de calor pode ser alcançada através do contato entre o PCB de borda nua e a base. A instalação pode ser finalizada por 36 parafusos para aumentar a condução de calor do PCB e do corpo.


Após a implementação das medidas mencionadas acima, o design atualizado da PCB é mostrado na Figura 2.

Para configurar a modelagem e análise de simulação no servo PCB, o software FLoTHERM é usado para situações de aquecimento de equipamentos eletrônicos. A condição de borda do servo PCB é:o ambiente é de 65°C com o tempo de operação de 90 minutos. Todos os componentes no servo PCB atendem ao requisito de redução de potência X. A temperatura corporal permitida de cada componente é mostrada na tabela a seguir:

Componentes	Consumo de calor/W	Temperatura máxima de X Derating/°C	Temperatura máxima do corpo de X Derating/°C
CPU Chip	0,6	100	87
Chip de P/D	0,5	100	87
Chip EPLD	0,5	100	85
Chip amplificador de potência	2.0	100	87

Os principais componentes de energia no servo PCB incluem 2 chips (49,76 mm * 41,4 mm), cada um com um consumo de calor de 2 W. O consumo de calor de outros componentes no servo PCB é de 5W ao todo e o consumo de calor de todo o PCB é de 9W, componentes de acionamento servo 10W, fonte de alimentação 40W e o consumo total de calor do servo e fonte de alimentação é 59W.


A temperatura do chip de controle servo é mostrada na Figura 3.

A análise de calor de operação por 90 minutos no ambiente de 65°C mostra:no processo de operação por 30 minutos contínuos, a temperatura do chip sobe rapidamente, chegando a 72°C acima; no processo de operação por 50 minutos contínuos, a temperatura do chip permanece gradualmente estável; em processo de operação por 90 minutos contínuos; a temperatura corporal do chip de 2W (87°C) é de 77,9°C; a temperatura corporal do chip de 0,6W (87°C) é 84°C;; a temperatura corporal do chip de 0,5 W (87°C) é 78,2°C; a temperatura corporal do chip de 0,5W (85°C) é 77°C;.


Com base no cálculo e simulação da condição de operação do projeto de calor, a temperatura do chip de controle servo permanece na faixa razoável. No processo de análise teórica, não há espaço entre chips e PCB por padrão. Mas no processo real de instalação, possivelmente há algum espaço entre eles e o gel de sílica pode ser usado para preencher o espaço para garantir o efeito de dissipação de calor do PCB.

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