Reka Bentuk Pelesapan Haba Dalaman PCB berdasarkan Model Terma

Pembangunan pesat teknologi elektronik membawa kepada peningkatan serta‑merta dari segi kelajuan pengiraan, frekuensi pengiraan dan keutuhan produk elektronik. Selain itu, dengan pengecilan volum produk elektronik, ketumpatan kuasa volumetrik menjadi semakin tinggi. Di samping itu, hala tuju pembangunan ke arah ketebalan yang lebih nipis, lebih ringan dan lebih kecil semuanya menyebabkan komponen elektronik mempunyai nilai penjanaan haba per unit isipadu yang semakin meningkat. Dengan penaiktarafan produk elektronik, kebolehpercayaan produk tersebut sangat terjejas akibat peningkatan pesat ketumpatan aliran haba dalam PCB. Menurut prinsip 10 darjah, setiap kali suhu meningkat sebanyak 10 darjah Celsius, sebahagian parameter bagi sesetengah komponen akan berkurang kepada separuh. Berdasarkan satu kajian, 55% peranti elektronik rosak kerana suhu melepasi nilai kadar komponen. Oleh itu, munasabahsusun atur komponendan pelesapan haba PCB telah menjadi elemen utama yang mesti dipertimbangkan oleh jurutera.

Reka bentuk terma produk elektronik biasanya dibahagikan kepada peringkat berikut: peringkat sistem, peringkat papan dan peringkat pakej. Reka bentuk terma peringkat papan merujuk kepada reka bentuk terma radiator,stensil elektronikdan PCB. Artikel ini akan menyediakan kaedah baharu untuk melesapkan haba yang membolehkan haba di bahagian bawah komponen dipindahkan dengan cepat ke bahagian luar dan meningkatkan kawasan pelesapan haba komponen tanpa mempengaruhi susun atur PCB, yang bertujuan untuk mengurangkan suhu komponen dan perbezaan suhu. Berbanding dengan kaedah pelesapan haba tradisional, kaedah baharu ini mempunyai beberapa ciri termasuk pelbagai struktur pelesapan haba, pengurangan regangan terma PCB dan penggunaan ruang yang kecil. Pelesapan haba keseluruhan PCB adalah anisotropik hasil daripada pelbagai corak lapisan PCB termasuk lapisan atas, lapisan bawah dan lapisan pendawaian yang membawa kepada pelbagai ciri seperti kandungan kuprum, ketebalan kuprum, lubang tembus dan kedudukan. Berdasarkan perisian analisis terma serta bentuk fizikal dan ciri terma komponen, artikel ini akan membina PCB dan komponen yang dipermudahkan dan membincangkan panjang, lebar dan kuantiti sirip penyejuk dengan keputusan eksperimen yang diperoleh melalui analisis data simulasi bagi keadaan yang berbeza.

Prinsip Analisis Terma

Teori analisis terma padaPapan PCBtahap ini berdasarkan prinsip asas teori pemindahan haba. Proses pemindahan haba merangkumi tiga mod pemindahan haba yang berbeza: pengaliran haba, perolakan haba dan sinaran haba, antara yang mana pengaliran haba ialah kaedah pelesapan haba utama.

Menurut hukum Fourier dalam teori pemindahan haba, pada lapisan pembeza dengan sebarang ketebalandsepanjang arahx, tenaga yang melaluidpada masa unit adalah berkadar terus dengan luasAkadar perubahan suhu, yang boleh dipaparkan dalam formula.

Dalam formula ini,Q(W) merujuk kepada tenaga yang melalui kawasan tersebutApada satu unit masa, yang juga merupakan aliran haba.A(m²) merujuk kepada luas keratan rentas pada arah pengaliran.L(m) merujuk kepada panjang laluan pengaliran.k[W/(m•°C)] ialah kekonduksian terma.Δ t(°C) ialah perbezaan suhu antara dua sisid.x(m) ialah laluan aliran haba. Tanda tolak menunjukkan arah yang bertentangan dengan arah pemindahan haba dan peningkatan suhu.

Ketumpatan aliran habaq(W/m²) merujuk kepada jumlah aliran haba yang melalui setiap unit luasAdalam unit masa, seperti yang ditunjukkan dalam formula.

Bahan yang berbeza mempunyai kekonduksian terma yang berbezakyang nilai tingginya menunjukkan kekonduksian yang sangat baik.

Teori Rintangan Terma PCB

PCB ialah sejenis struktur berbilang lapisan yang rumit sehingga pengaliran haba­nya bersifat anisotropik. Dari segi analisis terma PCB, struktur bahan pada setiap lapisan adalah berbeza sehingga sukar untuk membina model kerana bilangan grid yang besar dan kelajuan pengiraan yang perlahan. Artikel ini menggunakan model ringkas dengan bantuan perisian analisis terma. Model PCB berbilang lapisan yang dipermudahkan ditunjukkan dalam Rajah 1 di bawah.

Andaikan lapisan kuprum dan lapisan FR-4 mempunyai ketebalan yang sama dan setiap lapisan mempunyai jarak yang sama.k_nitu adalah kekonduksian terma biasa dank_pitu adalah kekonduksian terma bagi setiap lapisan yang digunakan untuk menerangkan prestasi terma PCB. Formula berikut boleh digunakan untuk mengira nilaik_ndank_p.

Dalam formula ini,δ_Kumerujuk kepada ketebalan setiap lapisan kuprum;k_Kuialah kekonduksian terma bagi kuprum dengan nilai 388 [W/(m•°C)];k_jialah kekonduksian terma bagi setiap penghalaan kuprum;δ_Fialah ketebalan setiap lapisan FR-4;k_Fialah kekonduksian terma FR-4 dengan nilai 0.35[W/(m•°C)];δ_PCBialah ketebalan keseluruhan PCB;A_jialah kawasan keseluruhan penghalaan kuprum pada lapisanj. Rintangan terma PCB ditunjukkan dalam model ringkas dalam Rajah 2.

Suhu lapisan permukaan PCB dan lapisan bawah masing-masing ialaht₁dant₂; jumlah haba yang dipindahkan secara keseluruhan ialahQ; rintangan keseluruhan ialahR; rintangan terma bagi setiap lapisan pada orientasi ketebalan ialahR₁,R₂danR₃dan akhirnyaL₁,L₂danL₃; luas papan ialahA. Berdasarkan Rajah 2(a), orientasinya sepatutnya hanya menegak dan rintangan terma boleh dikira melalui formula berikut:
R₁= L₁(A•k₁)
R₂= L₂(A•k₂)
R₃= L₃(A•k₃)

Berdasarkan Rajah 2(b), orientasinya sepatutnya mendatar sahaja dan rintangan terma boleh dikira melalui formula berikut:
R₁= L/(A₁•k₁)
R₂= L/(A₂•k₂)
R₃= L/(A₃•k₃)
1/R = 1/R₁+ 1/R₂+ 1/R₃

Rintangan haba keseluruhan sepanjang orientasi menegak dan mendatar boleh dipaparkan mengikut sambungan siri-selari rintangan haba melalui formulaQ = (t₁- t₂)/R.

Berdasarkan formula di atas, adalah jelas bahawa rintangan terma keseluruhan pada orientasi mendatar adalah jauh lebih rendah berbanding pada orientasi menegak. Oleh itu, jika kuprum ditanam secara mendatar pada PCB, kesan pelesapan haba yang lebih baik akan diperoleh. PCB dua lapisan dipilih oleh artikel ini sebagai objek analisis. Rajah 3 ialah lakaran kuprum tertanam PCB.

Analisis dan Pengesahan Simulasi

• Reka Bentuk Model PCB

Saiz model ringkas disenaraikan dalam jadual di bawah.

Komponen diletakkan di tengah PCB yang sumber habanya mempunyai tembaga tertanam di bawahnya. Sirip penyejuk tembaga tertanam bersebelahan dengan tembaga. Rajah 4 ialah model simulasi dengan saiz 0.5mm x 30mm.

Satu litar dengan arus 2A ditetapkan sebagai objek simulasi supaya lebar laluan sekurang-kurangnya 0.5mm dan lubang tembus 0.5mm. Sirip penyejuk yang bersebelahan dengan tembaga tertanam hendaklah mempunyai jarak minimum 1mm dan lebar sirip penyejuk dalam artikel ini ditakrifkan sebagai 0.13mm, 0.25mm, 0.5mm, 0.75mm dan 1mm serta panjang 20mm, 30mm dan 40mm. Di bawah keadaan lebar 10mm dan jarak kurang daripada 1mm, bilangan sirip penyejuk dengan lebar berbeza dipaparkan dalam jadual di bawah.

• Analisis Keputusan

Berdasarkan Jadual 2, dapat disimpulkan bahawa perbezaan dari segi lebar dan panjang sirip kuprum semuanya membawa kepada peningkatan besar suhu komponen pada PCB. Namun, dalam aplikasi sebenar, panjang PCB dan lebar sirip yang sesuai perlu dipilih dengan mengambil kira keadaan praktikal dan kos kuprum. Rajah 5 ialah graf suhu tertinggi komponen manakala Rajah 6 ialah graf suhu terendah komponen.

Daripada kecenderungan perubahan yang ditunjukkan oleh graf, dapat dirumuskan bahawa apabila lebar sirip kurang daripada 0.5mm, suhu komponen berkurang dengan ketara apabila lebar sirip diperbesar. Pengurangan suhu menjadi stabil apabila lebar melebihi 0.5mm. Oleh itu, perbezaan suhu adalah yang terbesar apabila lebar sirip dikekalkan pada 0.5mm dengan kos bahan yang paling rendah. Dengan pertambahan sirip penyejuk, suhu komponen menurun.

Suhu menurun pada tahap paling besar, lebih daripada 5°C apabila panjang sirip berada dalam julat 20mm hingga 30mm. Suhu menurun pada tahap kecil, lebih atau kurang daripada 2°C apabila panjang sirip berada dalam julat 30mm hingga 40mm. Oleh itu, pengurangan perbezaan suhu adalah agak besar apabila sirip dengan panjang 20mm hingga 30mm dipilih dengan kos yang agak rendah. Memandangkan hakikat bahawa sirip penyejuk PCB tidak boleh terlalu panjang atau terlalu lebar, adalah sesuai untuk memilih sirip yang mempunyai lebar 0.5mm dan panjang 30mm.

Rajah 7 ialah graf taburan suhu simulasi PCB tanpa tembaga tertanam manakala Rajah 8 ialah graf taburan suhu simulasi PCB dengan sirip yang panjangnya 30mm dan lebarnya 0.5mm.

Menurut kedua-dua rajah tersebut, dapat diketahui bahawa suhu tertinggi menurun daripada 108.4°C kepada 88.6°C, dengan tahap pengurangan sebanyak 18.5%. Suhu terendah menurun daripada 98.3°C kepada 83.2°C, dengan tahap pengurangan sebanyak 15.3%. Berdasarkan perbandingan medan suhu antara Rajah 7 dan Rajah 8, PCB dengan tembaga tertanam berupaya membantu medan suhu diedarkan secara sekata dan mengurangkan perbezaan suhu papan supaya titik panas dapat dielakkan. PCB dengan tembaga tertanam mengurangkan suhu komponen, yang bermanfaat untuk penambahbaikan pelesapan haba komponen pada PCB supaya kebolehpercayaan komponen akan meningkat dengan ketara.

Apabila elektronik bertambah baik dan saiznya berkurangan, kawalan terma yang betul dalam PCB adalah perlu untuk prestasi dan kebolehpercayaan. Kaedah baharu, termasuk penggunaan tembaga tertanam dan sirip penyejukan yang dioptimumkan, dengan berkesan mengurangkan suhu komponen dan menyediakan pengagihan haba yang mencukupi tanpa menghasilkan titik panas. Kaedah baharu ini meningkatkan jangka hayat peranti elektronik dengan menyediakan keadaan operasi yang optimum.

PCBCart ialah pakar dalam pembuatan PCB berkelas tinggi, menggunakan teknik pengurusan haba paling canggih untuk menawarkan produk berprestasi tinggi dan boleh dipercayai. Pengalaman kami memastikan penyelesaian tersuai untuk pelesapan haba yang berkesan. Bekerjasamalah dengan kami untuk PCB yang direka dengan tepat. Mohon sebut harga hari ini untuk mengembangkan potensi reka bentuk anda.

Dapatkan sebut harga PCB tersuai anda dengan penyelesaian pakar PCBCart

Sumber Berguna
•Prinsip Reka Bentuk Terma Papan PCB Paling Komprehensif
•Petua Reka Bentuk Terma untuk PCB yang Dikawal oleh Sistem FPGA
•Reka Bentuk PCB Berkuasa Tinggi dalam Persekitaran Suhu Tinggi
•PCB Teras Teras Logam: Penyelesaian Ideal untuk Isu Terma dalam PCB dan PCBA
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh daripada PCBCart - Pelbagai Pilihan Nilai Tambah
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Termaju daripada PCBCart - Bermula dari 1 keping