Con l’arrivo di componenti di potenza in package SMD sempre più piccoli, è importante definire un approccio coerente per mitigare le esigenze di dissipazione termica di questi componenti in un progetto PCB. Sebbene lo sviluppo di un’analisi matematica esatta delle caratteristiche termiche di un progetto PCB possa essere un processo complesso, è possibile applicare alcune semplici regole per migliorare la conduzione termica del proprio design. In definitiva, controllare correttamente la dissipazione del calore nel progetto consentirà di realizzare un sistema più affidabile ePCB economicoprogettazione. Quanto segue è una breve discussione del modello standard di dissipazione termica e quindi alcune regole generali per affrontare la dissipazione termica nei vostri progetti.
Per prima cosa è importante definire la terminologia che verrà utilizzata nel resto di questa voce. La figura seguente presenta i diversi componenti di un circuito integrato di potenza che dobbiamo considerare quando parliamo di gestione termica. In questo articolo discuteremo della temperatura della giunzione, della parte superiore e del case del componente e delle loro resistenze termiche rispetto all’ambiente circostante.
Con questi termini a disposizione, esamineremo brevemente il modello standard utilizzato per simulare la dissipazione termica di un componente. La resistenza termica è normalmente modellata come una rete di resistori. Il modello standard per un componente è presentato nella figura seguente:
Nella figura presentata TJè definita come la temperatura della giunzione (la parte interna operativa del componente), TTè la temperatura della "parte superiore" del package (tipicamente l’involucro di plastica del componente), TCè la temperatura del "case" (questa è la temperatura dei pad altamente termoconduttivi del componente e del PCB collegato) e TAè la temperatura dell'ambiente circostante. L'obiettivo del progettista elettronico è quindi quello di ottenere la minore resistenza termica possibile tra la giunzione e l'ambiente circostante. Con l'eccezione di θCA, le resistenze termiche del sistema (θJT, θLui / Leie θJC) sono definiti dalle proprietà del componente e possono essere ricavati dal datasheet del suddetto componente. Come progettisti PCB abbiamo principalmente influenza sul valore di θCA, che dipende dal nostro progetto PCB. Pertanto, la sfida principale per il progettista è la riduzione della resistenza termica del case del circuito integrato verso l’ambiente esterno riducendo tale resistenza. Quanto bene riusciamo ad abbassare questa resistenza termica (θCA) definirà in gran parte la differenza di temperatura (o la sua assenza) che si svilupperà tra l’ambiente circostante e la giunzione del componente.
È da notare che l’altro percorso per la conduzione termica è il contenitore in plastica (o la “parte superiore”) del componente. Poiché l’involucro in plastica della maggior parte dei componenti di potenza non fornisce un buon percorso termico verso l’ambiente, l’efficienza della dissipazione termica del progetto dipende in misura maggiore dalla capacità del progetto stesso di dissipare l’energia termica verso l’ambiente circostante attraverso il suo contenitore. L’unica eccezione si ha quando il power IC in questione è progettato con un pad termico situato sulla parte superiore del componente. In questo caso, l’IC è progettato affinché un dissipatore di calore venga fissato direttamente sulla parte superiore dell’IC e la dissipazione termica del componente attraverso la sua “parte superiore” diventa un fattore molto più importante nel progetto.
L'approccio standard per allontanare il calore dai componenti di potenza consiste nel collegare termicamente i componenti di potenza ai piani di rame adiacenti tramite vias termiche. Questo viene generalmente ottenuto posizionando un certo numero di vias nell’ingombro dell’IC di potenza. Queste vias forniscono un collegamento termico agli strati di rame sotto l’IC, che poi conducono il calore lontano dal componente.
Inoltre, quanto maggiore è la quantità di piani di rame di alimentazione collegati al circuito integrato di potenza tramite le suddette vias termiche, tanto più alta sarà l’efficienza di dissipazione termica del PCB. Ad esempio, utilizzare un design a 4 strati invece di uno a 2 strati può aumentare la capacità di dissipazione di potenza del PCB fino al 30% quando si confronta la stessa area di tali design.
Le seguenti regole di progettazione sono fornite come un buon punto di partenza per affrontare gli aspetti termici del tuo progetto.
a.Per dissipare 1 watt di potenza, una buona regola pratica è che la scheda debba avere un’area di 15,3 cm² o 2,4 in² per watt dissipato per ottenere un aumento di 40°C nella temperatura della scheda. Se la scheda è soggetta a flusso d’aria, questo requisito può essere dimezzato (7,7 cm² o 1,2 in² per watt). Questi valori presuppongono che il componente sia accoppiato termicamente a un piano di rame che si estende fino ai bordi della scheda e che la scheda sia posizionata in modo che l’aria possa fluire liberamente attorno a entrambi i lati della scheda. Se questi requisiti di densità di potenza sono troppo restrittivi per il tuo progetto, potrebbe essere necessario includere un dissipatore di calore esterno. Inoltre, un aumento di temperatura di 40°C è un buon punto di partenza da considerare quando si controlla il tuoscheda elettronicatemperatura di '
b.Ogni volta che su una scheda viene posizionato più di un componente di potenza, è buona prassi disporre tali componenti in modo che il PCB venga riscaldato in modo uniforme da questi componenti. Grandi differenze di temperatura lungo l’estensione del progetto del PCB non consentono al PCB di trasferire in modo ottimale l’energia termica lontano dai componenti di potenza montati. Se il progettista ne ha la possibilità, l’imaging termico può consentire l’ispezione empirica del tuoposizionamento dei componentiuna volta completata una revisione del progetto.
c.Più vias riuscirai a posizionare sotto il tuo componente, meglio il tuo PCB trasferirà l’energia termica al piano di rame collegato. Disporre le vias in matrice per aumentare il numero di quelle a contatto con i pad di alimentazione del package (i grandi pad termicamente conduttivi del componente).
d.Nei progetti che dissipano potenze maggiori sarà necessario utilizzare spessori di rame più elevati. Come punto di partenza per i progetti di potenza si raccomanda rame da 1 oz.
e.Quando si utilizza un piano di rame per dissipare l’energia termica da un componente, è importante che il piano non sia interrotto da piste che corrono perpendicolarmente al percorso termico che si allontana dal componente di potenza.
f.Se è necessario utilizzare un dissipatore di calore per mantenere la temperatura del sistema entro le tolleranze, è importante notare che il dissipatore sarà in genere molto più efficace se posizionato in modo tale da essere termicamente collegato al case del componente. Ciò significa tipicamente fissare il dissipatore sul lato opposto della scheda rispetto a un componente montato in superficie. Sebbene possa essere allettante posizionare un dissipatore direttamente sulla parte superiore del componente, la resistenza termica del case in plastica del componente renderà il dissipatore inefficace. Come già osservato sopra, le eccezioni a questa regola sono i package esplicitamente progettati per avere dissipatori fissati sulla loro “parte superiore”.
In sintesi, le prestazioni termiche di un progetto sono molto importanti da considerare ogni volta che si lavora con componenti di potenza. Utilizzando ilregole di progettazionepresentati in questo articolo nelle prime fasi del processo di progettazione del tuo PCB ti permetteranno di ottenere un buon vantaggio iniziale nel controllo della temperatura del PCB e ti consentiranno di evitare drastici riprogettazioni nelle fasi successive dello sviluppo.
In generale, le prestazioni termiche del progetto PCB devono essere gestite con precisione, soprattutto quando si progettano circuiti con package di componenti di potenza molto piccoli. La dissipazione termica dovrebbe essere affrontata abbastanza presto nella fase di progettazione per garantire l’efficienza dei costi e l’affidabilità del prodotto finale. Applicando metodi chiave come vias termici, piani di rame e un attento posizionamento dei componenti, i progettisti possono ridurre in modo significativo la resistenza termica e migliorare la dissipazione del calore. Seguire queste linee guida pratiche può portare a un progetto ottimizzato che evita il rischio di surriscaldamento e prolunga la vita dei componenti elettronici. Per coloro che sono disposti a implementare queste strategie di gestione termica nei loro progetti, PCBCart fornisce soluzioni tutto-in-unoServizi di assemblaggio e produzione di PCBCon la qualità e l’accuratezza come nostre priorità, PCBCart è in grado di trasformare i tuoi progetti in realtà, con soluzioni solide ed efficienti. Richiedi oggi stesso un preventivo da PCBCart e inizia a creare i tuoi innovativi progetti PCB con il supporto esperto di un leader del settore.
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