I principi più completi di progettazione termica per PCB

Si stima che oltre la metà dei componenti elettronici si guasti a causa dell’elevato stress derivante dall’ambiente termico. Negli ultimi anni si è assistito a un’ampia diffusione di dispositivi con circuiti integrati (IC) su larga scala e su scala iper-integrata e della tecnologia a montaggio superficiale (SMT), e i prodotti elettronici hanno iniziato ad abbracciare direzioni di sviluppo orientate alla miniaturizzazione, all’alta densità e all’elevata affidabilità. Di conseguenza, i sistemi elettronici richiedono prestazioni termiche sempre più elevate. Dopotutto, nata con l’avvento dei prodotti elettronici, la gestione termica svolge un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni e le funzioni dei sistemi elettronici.

In quanto spina dorsale dei dispositivi elettronici, una progettazione razionale dei PCB (Printed Circuit Boards) ne garantisce le alte prestazioni. Se la progettazione del PCB non soddisfa, in parte o del tutto, i requisiti termici, i dispositivi elettronici saranno inevitabilmente esposti al rischio di danneggiamento o persino di guasto. La costante crescita dell’integrazione dei moduli di circuito e l’ampia applicazione di IC e di moduli multichip (MCM) contribuiscono all’aumento della densità di assemblaggio dei componenti, che a sua volta porta a una maggiore densità di flusso di calore sui PCB. I PCB di alta qualità non derivano solo da un layout e da un instradamento accurati e razionali, ma dipendono anche da un’elevata affidabilità termica per un funzionamento sicuro. Pertanto, è di grande importanza applicare regole e analisi complete di dissipazione termica sui PCB. Questo articolo parte dai principi iniziali di progettazione termica e introduce regole di progettazione termica di facile utilizzo, pensate per essere applicate con praticità dai progettisti elettronici nel loro lavoro.

Principi di base della progettazione termica

La progettazione termica si basa sulla teoria fondamentale del trasferimento di calore e della fluidodinamica. Dove c’è differenza di temperatura, avviene un trasferimento di calore dalla zona a temperatura più alta a quella a temperatura più bassa. Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione, convezione e irraggiamento.

La formula del trasferimento di calore è mostrata come:φ=KAΔt, in cuiφindica la quantità di trasmissione di calore la cui unità èW,Ksta per il coefficiente di trasmissione del calore la cui unità èW/(m²x K),Asta per l’area di trasmissione del calore la cui unità è m²eΔtindica la differenza di temperatura tra il fluido termico e il fluido freddo la cui unità èK.

La progettazione termica dei PCB è definita come il processo in cui la resistenza termica dalla sorgente di calore allo spazio di dissipazione del calore viene ridotta al minimo tramite misure di raffreddamento, grazie alle proprietà di trasmissione termica, oppure la densità del fluido termico viene controllata in modo che rimanga entro un intervallo accettabile. Per garantirne l’affidabilità, è necessario adottare misure efficaci di progettazione termica dai seguenti punti di vista, tra cui:
a.Raffreddamento naturale, che conduce il calore senza forza esterna. Include la conduzione del calore, il trasferimento di calore per irraggiamento e il trasferimento per convezione naturale.
b.Raffreddamento ad aria forzata. Consente il flusso d’aria di raffreddamento attraverso dispositivi o componenti elettronici, trasferendo il calore dalla sorgente termica al dissipatore tramite ventilatore o aria dinamica.
c.Raffreddamento a fluido. Esistono due metodi di raffreddamento a fluido:
1). Il raffreddamento diretto a fluido si riferisce al processo durante il quale i componenti sono immersi direttamente nel fluido refrigerante.
2). Il raffreddamento indiretto a fluido si riferisce al processo in cui i componenti non sono a diretto contatto con il fluido di raffreddamento. Tuttavia, il raffreddamento viene effettuato tramite uno scambiatore di calore o una piastra fredda.
d.Raffreddamento per evaporazioneAttualmente è il metodo di conduzione del calore più efficace. La trasmissione termica è ottenuta tramite l’ebollizione del fluido di raffreddamento.
e. Altri tipi di misure di raffreddamento:thermotubo,piastra fredda,refrigerazione termoelettrica.

Nel processo di gestione termica, è possibile adottare adeguate misure di progettazione termica in base alle condizioni pratiche, quali l’ambiente operativo effettivo (temperatura, umidità, pressione atmosferica, polvere ecc.), la densità del fluido termico a bordo, la densità di potenza volumetrica e il consumo energetico totale, l’area superficiale, il volume, il dissipatore di calore e altre condizioni speciali, al fine di garantire una distribuzione uniforme della temperatura e un aumento di temperatura ragionevole entro i valori limite stabiliti dalle normative.

Regole di progettazione termica

Lo scopo generale della progettazione termica è controllare la temperatura di tutti i componenti elettronici assemblati sulle schede a circuito stampato all’interno dei prodotti elettronici, per garantire la stabilità delle prestazioni elettriche, evitare o ridurre la deriva termica dei parametri elettrici, diminuire il tasso di guasto di base dei componenti e fare in modo che la temperatura nell’ambiente di funzionamento non superi la temperatura massima consentita. Questo articolo descrive le regole di progettazione termica dei PCB da tre prospettive: l’utilizzo dei componenti sui PCB, la progettazione termica dei PCB, l’assemblaggio dei componenti e il layout del PCB.

a.Utilizzo di componenti elettronici

1). Come controllare la temperatura di esercizio dei componenti?

La temperatura è il primo elemento che influisce sulle prestazioni dei componenti e sul tasso di guasto. La massima temperatura di esercizio consentita e il consumo di potenza dovrebbero essere determinati in base al livello di affidabilità richiesto e al tasso di guasto distribuito di ciascun componente. La Tabella 1 mostra i valori della massima temperatura superficiale consentita dei componenti dal punto di vista dell’affidabilità nella progettazione termica.

2). Come controllare la temperatura di giunzione del componente?

La temperatura di giunzione del componente dipende dal proprio consumo di potenza, dalla resistenza termica e dalla temperatura ambiente. Pertanto, le misure per controllare la temperatura di giunzione entro un intervallo consentito includono:
• Vengono selezionati componenti con bassa resistenza termica interna.
• Il derating viene utilizzato per ridurre l’aumento della temperatura.
• I circuiti, in particolare quelli che contengono componenti di potenza, dovrebbero fare affidamento su un accurato progetto termico per garantire l’affidabilità, attenendosi alle linee guida riportate nel manuale standard.

3). Come progettare il derating quando si utilizzano i componenti?

In base alle esigenze, nella pratica si può adottare una progettazione con derating, in modo che i componenti funzionino in condizioni inferiori ai parametri nominali (potenza, tensione, corrente), così che l’aumento di temperatura e il tasso di guasto vengano drasticamente ridotti.

b.Regole di progettazione termica dei PCB

L'assemblaggio verticale dei PCB è vantaggioso per la dissipazione del calore e la distanza tra le schede dovrebbe essere mantenuta ad almeno 20 mm. Le regole di progettazione termica della scheda includono:
1). Come materiale di base per i PCB viene scelto un materiale con capacità di resistenza alle alte temperature e con un elevato parametro di conduzione. Quando si tratta di circuiti ad alta potenza e densità, l’alluminio e la ceramica possono essere utilizzati come materiali di base grazie alla loro bassa resistenza termica (PCBCart è pienamente in grado di produrre PCB con questi materiali di base. Puoi inviare i tuoi file PCB insieme al requisito di quantitàin questa paginaperPreventivo per PCB a base di alluminio e a base ceramica).
2). La struttura multistrato è una scelta ottimale per la dissipazione termica dei PCB.
3). Per migliorare la capacità di conduzione del calore delle schede dei circuiti, è meglio utilizzare schede che dissipano il calore. La scheda con nucleo metallico può essere applicata inPCB multistratoper ottenere un'eccellente dissipazione del calore tra la scheda, i dispositivi di supporto e i dispositivi di dissipazione del calore. Se necessario, si possono utilizzare rivestimenti protettivi e materiali di incapsulamento per accelerare la trasmissione termica ai dispositivi di supporto o ai dispositivi di dissipazione del calore.

4). Per aumentare la capacità di dissipazione del calore dei PCB, è possibile utilizzare una sbarra collettrice (busbar), che può essere considerata un eccellente radiatore ed è in grado di incrementare le prestazioni di anti-interferenza dei PCB.
5). Per migliorare la capacità di dissipazione termica dei PCB, lo spessore del foglio metallico dovrebbe essere aumentato e il conduttore interno dovrebbe utilizzare un foglio metallico di ampia superficie. Inoltre, la larghezza delle linee di massa dovrebbe essere opportunamente aumentata, poiché le linee di massa con un’ampia area sono in grado sia di incrementare la capacità di anti-interferenza sia di migliorare la capacità di dissipazione del calore.

c.Assemblaggio dei componenti e layout PCB

Layout dei componentiè piuttosto essenziale per le prestazioni termiche dei PCB, soprattutto per quelli posizionati verticalmente. La direzione di assemblaggio dei componenti dovrebbe conformarsi alle caratteristiche di flusso del refrigerante per offrire al refrigerante la minima resistenza. Le regole applicabili ai componenti in termini di assemblaggio e layout includono:

1). Per i prodotti con metodo di raffreddamento ad aria a convezione naturale, è preferibile disporre i circuiti integrati o altri componenti in senso longitudinale, come mostrato nell’esempio in Figura 2 qui sotto. Per i prodotti con metodo di raffreddamento ad aria forzata, è preferibile disporre i circuiti integrati o altri componenti in senso trasversale, come mostrato nell’esempio in Figura 3 qui sotto.

2). I componenti sullo stesso PCB devono essere classificati e posizionati in base alla loro produttività di calore e al livello di dissipazione termica. I componenti con bassa produttività di calore o bassa resistenza al calore (transistor a piccolo segnale, IC di piccola scala, condensatori elettrolitici, ecc.) devono essere posizionati a monte (ingresso), mentre i componenti con alta produttività di calore o elevata resistenza al calore (transistor di potenza in alta frequenza, IC di grandissima scala, ecc.) devono essere posizionati a valle. Alla periferia degli amplificatori a piccolo segnale devono essere collocati componenti con ridotta deriva termica e i condensatori a mezzo liquido devono essere tenuti lontani dalla sorgente di calore.
3). In direzione orizzontale, i componenti ad alta frequenza devono essere disposti adiacenti al bordo dei PCB per ridurre al minimo il percorso di trasmissione del calore. In direzione verticale, i componenti ad alta frequenza devono essere disposti vicino alla parte superiore dei PCB per diminuire la loro influenza sulla temperatura degli altri componenti.
4). I componenti sensibili alla temperatura devono essere disposti nell’area con la temperatura più bassa, come ad esempio il fondo di un prodotto. Non devono essere posizionati direttamente sopra i componenti che generano calore e devono essere collocati lontano dai componenti che generano calore o essere isolati da essi.
5). I componenti con il maggior consumo di potenza e la maggiore generazione di calore devono essere disposti adiacenti al punto migliore per la dissipazione del calore. Non disporre mai componenti ad alta temperatura negli angoli o sui bordi, a meno che non siano previsti dissipatori intorno ad essi. Durante la disposizione delle resistenze di potenza, è necessario selezionare componenti relativamente grandi e lasciare loro uno spazio sufficiente per la dissipazione del calore nel processo di layout del PCB.
6). La potenza dovrebbe essere distribuita uniformemente sui PCB per mantenere equilibrio e conformità ed evitare la concentrazione di punti di calore. È difficile raggiungere una rigorosa uniformità, ma è necessario evitare aree con potenza estremamente elevata, poiché punti surriscaldati potrebbero compromettere il normale funzionamento dell’intero circuito.
7). Nel processo di progettazione del PCB, è necessario prendere pienamente in considerazione il percorso del flusso d’aria e disporre i componenti in modo ragionevole. L’aria tende a fluire verso i punti con minore resistenza, quindi, durante la disposizione dei componenti sui PCB, si dovrebbero evitare spazi d’aria relativamente ampi.
8). Sui circuiti stampati dovrebbe essere applicata una tecnologia di assemblaggio termico per ottenere un effetto di trasmissione del calore relativamente buono. Oltre la metà del calore generato da componenti quali IC e microprocessori viene trasmessa ai PCB attraverso i loro stessi terminali, i cui fori di montaggio dovrebbero utilizzare fori metallizzati. Questi componenti possono anche essere montati direttamente su una barra o una piastra di conduzione termica per ridurre la resistenza termica causata dai componenti.
9). La resistenza termica dovrebbe essere ridotta il più possibile nelle connessioni tra i componenti con elevata dissipazione di calore e i PCB. Per soddisfare i requisiti delle caratteristiche termiche, è possibile utilizzare alcuni materiali conduttivi di calore sotto il chip e la dissipazione del calore dei componenti nell’area di contatto dovrebbe essere mantenuta.
10). I pin dei componenti devono essere accorciati nel collegamento tra componenti e PCB. Quando si selezionano componenti con elevato consumo di potenza, occorre considerare la conducibilità del materiale dei terminali. Se possibile, scegliere componenti i cui terminali abbiano una sezione trasversale maggiore e che abbiano il maggior numero di pin.

d.Altri requisiti
1). Package del componente: nel progetto termico del PCB devono essere considerati il tipo di package del componente e il tasso di conduzione del calore. Si può fornire un percorso di conduzione del calore tra il substrato e il package del componente e si dovrebbe evitare un’interruzione d’aria lungo il percorso di conduzione del calore.
2). Metodo tecnico: nelle aree con componenti su entrambi i lati della scheda può verificarsi un’elevata temperatura locale. Per modificare le condizioni di dissipazione del calore, è possibile aggiungere del rame fine nella pasta saldante in modo che i punti di saldatura si sollevino a una certa altezza sotto i componenti. Lo spazio d’aria tra i componenti e il PCB aumenta, migliorando così la convezione termica.
3). Fori di dissipazione del calore: è possibile predisporre alcuni fori di dissipazione del calore e fori ciechi sui PCB in modo che l’area di dissipazione del calore possa essere aumentata efficacemente, la resistenza termica possa essere ridotta e la densità di potenza dei PCB possa essere incrementata.

Analisi termica

Sulla base del trasferimento di calore computazionale, l’analisi termica, i cui metodi di calcolo numerico includono principalmente il metodo delle differenze finite, il metodo degli elementi finiti e il metodo degli elementi di contorno, si riferisce al processo di semplificazione dei modelli, di costruzione dei modelli matematici, di risoluzione delle equazioni non lineari, di elaborazione e regolazione delle procedure analitiche e di calcolo, nonché di misurazione e prova dei parametri termici.

Come aspetto fondamentale della progettazione termica, l’analisi termica è un metodo importante per valutare l’importanza della progettazione termica. L’analisi termica del PCB si riferisce al processo di creazione del modello termico dei componenti e di impostazione dei parametri di controllo della simulazione in base alla struttura emateria prima dei PCB, tipo di package dei componenti e ambiente operativo del PCB per stimare i valori dei comportamenti termici dei PCB. L’analisi termica deve essere eseguita nella fase di concept prima del layout e per tutto il processo di progettazione del PCB.

I valori della temperatura dei componenti, della temperatura della scheda e della temperatura del flusso d’aria possono essere ottenuti dall’analisi termica, che mostra le caratteristiche termiche dei PCB sotto forma di immagini a colori, grafici visivi di isoterme di temperatura o dati specifici.

Sulla base del risultato dell’analisi termica, i problemi termici del PCB possono essere individuati rapidamente e possono essere adottate tempestivamente misure adeguate ed eliminate le aree ad alta densità di temperatura, il che consentirà di determinare il percorso di conduzione del calore, ottimizzare le posizioni dei componenti chiave, la forma e le dimensioni del dissipatore per sfruttare appieno la capacità di dissipazione del calore, aumentare l’efficienza di trasmissione del calore dei fori di dissipazione e dei dissipatori e determinare lo spazio tra le schede e i componenti sulle schede.

PCCBart ha una ricca esperienza nella produzione di PCB con funzionalità avanzate

Il controllo termico deve essere ottimizzato per soddisfare le esigenze di prestazione e affidabilità dell’elettronica attuale, con dispositivi che diventano sempre più piccoli e integrati. È necessaria una progettazione efficace del PCB con tecniche di raffreddamento intelligenti e un posizionamento adeguato dei componenti, in modo che i dispositivi non si surriscaldino e i sistemi elettronici possano funzionare più a lungo. Con metodi sofisticati di progettazione termica, gli ingegneri possono garantire un funzionamento affidabile anche in condizioni severe di stress termico, proteggendo i dispositivi da potenziali guasti.

PCBCart, con anni di esperienza nella produzione di PCB, è specializzata nella realizzazione di circuiti stampati ad alte prestazioni con eccellente gestione termica. Con clienti in tutto il mondo, offriamo PCB personalizzati con tecnologia di raffreddamento all’avanguardia, su misura per le vostre esigenze specifiche. La nostra attenzione alla qualità e all’innovazione garantisce che i vostri prodotti elettronici funzionino in modo affidabile anche in condizioni estreme.

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Risorse utili
•Considerazioni sulla progettazione termica dei PCB
•Progettazione della dissipazione termica interna del PCB basata su modello termico
•PCB con nucleo metallico: una soluzione ideale ai problemi termici in PCB e PCBA
•Come valutare un produttore di PCB o un assemblatore di PCB
•Servizio completo di fabbricazione PCB da PCBCart
•Servizio avanzato di assemblaggio PCB da PCCBart