Prinsip Reka Bentuk Terma Papan Litar Cetak (PCB) Paling Komprehensif

Dianggarkan bahawa lebih separuh komponen elektronik gagal disebabkan oleh tekanan tinggi yang berpunca daripada persekitaran terma. Beberapa tahun kebelakangan ini telah menyaksikan penggunaan meluas peranti litar bersepadu (IC) berskala besar dan hiper-skala serta teknologi pemasangan permukaan (SMT), dan produk elektronik mula mengorak langkah ke arah pembangunan miniaturisasi, ketumpatan tinggi dan kebolehpercayaan tinggi. Sejajar dengan itu, sistem elektronik menuntut keperluan prestasi terma yang semakin tinggi. Lagipun, sejak kemunculan produk elektronik, pengurusan terma memainkan peranan penting dalam menentukan prestasi dan fungsi sistem elektronik.

Sebagai tulang belakang peranti elektronik, reka bentuk PCB (Papan Litar Bercetak) yang rasional memastikan prestasi tinggi peranti tersebut. Jika reka bentuk PCB sebahagian atau bahkan sepenuhnya gagal memenuhi keperluan terma, peranti elektronik pasti akan menghadapi risiko kerosakan atau bahkan kegagalan. Peningkatan berterusan dalam integriti modul litar dan aplikasi besar-besaran IC serta modul berbilang cip (MCM) menyumbang kepada peningkatan ketumpatan pemasangan komponen yang seterusnya membawa kepada ketumpatan aliran haba yang lebih tinggi pada PCB. PCB berkualiti tinggi bukan sahaja terhasil daripada susun atur dan pendawaian yang tepat dan rasional, tetapi juga bergantung pada kebolehpercayaan terma yang tinggi untuk operasi yang selamat. Oleh itu, adalah sangat penting untuk melaksanakan peraturan pelesapan haba yang komprehensif dan analisis pada PCB. Artikel ini bermula dengan prinsip reka bentuk terma permulaan dan memperkenalkan peraturan reka bentuk terma yang mesra jurutera untuk memudahkan aplikasi oleh pereka elektronik dalam kerja mereka.

Prinsip Asas Reka Bentuk Terma

Reka bentuk terma adalah berdasarkan teori asas pemindahan haba dan mekanik bendalir. Di mana terdapat perbezaan suhu, akan berlaku pemindahan haba dari zon bersuhu tinggi ke zon bersuhu rendah. Pemindahan haba boleh dicapai melalui pengaliran haba, perolakan haba dan sinaran haba.

Rumus pemindahan haba dipaparkan sebagai:φ=KAΔt, di manaφmerujuk kepada jumlah pemindahan haba yang unitnya ialahW,Kmerupakan pekali pemindahan haba yang unitnya ialahW/(m²x K),Amerujuk kepada luas pemindahan haba yang unitnya ialah m²danΔtmerujuk kepada perbezaan suhu antara bendalir terma dan bendalir sejuk yang unitnya ialahK.

Reka bentuk terma PCB ditakrifkan sebagai proses di mana rintangan terma daripada sumber haba ke ruang pelesapan haba dikurangkan ke tahap minimum melalui langkah penyejukan dengan menggunakan sifat pemindahan haba atau ketumpatan bendalir haba dikawal supaya berada dalam julat yang boleh diterima. Untuk memastikan kebolehpercayaannya, langkah reka bentuk terma yang berkesan mesti diambil dari perspektif berikut, termasuk:
a.Penyejukan semula jadi, yang mengalirkan haba tanpa daya luaran. Ia merangkumi pengaliran haba, pemindahan haba sinaran dan pemindahan perolakan semula jadi.
b.Penyejukan udara paksaIa menyalurkan aliran udara penyejuk melalui peranti atau komponen elektronik, memindahkan haba dari sumber haba ke pelesap haba melalui ventilator atau udara ram.
c.Penyejukan bendalir. Terdapat dua kaedah penyejukan bendalir:
1). Penyejukan cecair langsung merujuk kepada proses di mana komponen direndam secara langsung ke dalam bendalir penyejuk.
2). Penyejukan bendalir tidak langsung merujuk kepada proses di mana komponen tidak bersentuhan secara langsung dengan bendalir penyejuk. Walau bagaimanapun, penyejukan dilakukan melalui penukar haba atau plat sejuk.
d.Penyejukan penyejatan. Pada masa ini, ia adalah kaedah pengaliran haba yang paling berkesan. Penghantaran haba diperoleh melalui pendidihan medium penyejuk.
e. Jenis-jenis langkah penyejukan lain:tiub termo,plat sejuk,penyejukan termoelektrik.

Dalam proses pengurusan terma, langkah reka bentuk terma yang sesuai boleh diambil mengikut keadaan praktikal seperti persekitaran operasi sebenar (suhu, kelembapan, tekanan atmosfera, habuk dan sebagainya), ketumpatan bendalir terma pada papan, ketumpatan isipadu kuasa dan jumlah penggunaan kuasa, luas permukaan, isipadu, sink haba dan keadaan khas lain, bagi memastikan pengagihan suhu yang sekata dan kenaikan suhu yang munasabah dalam nilai had yang ditetapkan.

Peraturan Reka Bentuk Terma

Tujuan umum reka bentuk terma ialah untuk mengawal suhu semua komponen elektronik yang dipasang pada papan litar di dalam produk elektronik, bagi memastikan kestabilan prestasi elektrik, mengelakkan atau mengurangkan hanyutan suhu bagi parameter elektrik, menurunkan kadar kegagalan asas komponen, dan memastikan suhu dalam persekitaran operasi tidak melebihi suhu maksimum yang dibenarkan. Artikel ini menghuraikan peraturan reka bentuk terma PCB dari 3 perspektif: penggunaan komponen pada PCB, reka bentuk terma PCB, pemasangan komponen dan susun atur PCB.

a.Penggunaan Komponen Elektronik

1). Bagaimana mengawal suhu kerja komponen?

Suhu ialah unsur pertama yang mempengaruhi prestasi komponen dan kadar kegagalan. Suhu kerja tertinggi yang dibenarkan dan penggunaan kuasa harus ditentukan mengikut tahap kebolehpercayaan yang diperlukan dan kadar kegagalan teragih bagi setiap komponen. Jadual 1 menunjukkan nilai suhu permukaan maksimum yang dibenarkan bagi komponen dari perspektif kebolehpercayaan dalam reka bentuk terma.

2). Bagaimanakah mengawal suhu persambungan komponen?

Suhu persambungan komponen bergantung pada penggunaan kuasanya sendiri, rintangan terma dan suhu persekitaran. Oleh itu, langkah-langkah untuk mengawal suhu persambungan dalam julat yang dibenarkan termasuk:
• Komponen dengan rintangan terma dalaman yang rendah dipilih.
• Pengurangan kadar digunakan untuk mengurangkan kenaikan suhu.
• Litar, terutamanya yang mengandungi komponen kuasa, harus bergantung pada reka bentuk terma yang terperinci untuk kebolehpercayaan dengan garis panduan yang digariskan dalam manual piawai yang dipatuhi.

3). Bagaimanakah untuk mereka bentuk pengurangan kadar apabila komponen digunakan?

Berdasarkan keperluan, reka bentuk penyahkadaran boleh dilaksanakan dalam penggunaan sebenar supaya komponen berfungsi dalam keadaan di bawah parameter berkadar (kuasa, voltan, arus) agar kenaikan suhu dan kadar kegagalan dapat dikurangkan dengan ketara.

b.Peraturan Reka Bentuk Terma PCB

Pemasangan PCB secara menegak adalah bermanfaat untuk pelesapan haba dan jarak antara papan hendaklah dikekalkan sekurang-kurangnya 20mm. Peraturan reka bentuk terma papan termasuk:
1). Bahan dengan keupayaan menahan suhu tinggi dan parameter pengaliran tinggi dipilih sebagai bahan substrat bagi PCB. Apabila melibatkan litar dengan kuasa dan ketumpatan tinggi, asas aluminium dan seramik boleh digunakan sebagai bahan substrat kerana rintangan terma yang rendah (PCBCart mempunyai keupayaan penuh untuk mengeluarkan PCB dengan bahan substrat tersebut. Anda boleh menghantar fail PCB anda bersama keperluan kuantitipada halaman iniuntukSebutharga PCB berasaskan aluminium dan berasaskan seramik).
2). Struktur berbilang lapisan ialah pilihan optimum untuk pelesapan haba PCB.
3). Untuk meningkatkan keupayaan pengaliran haba papan litar, adalah paling baik menggunakan papan yang melesapkan haba. Papan teras logam boleh digunakan dalamPCB berbilang lapisanuntuk mendapatkan pelesapan haba yang sangat baik antara papan, peranti sokongan dan peranti pelesapan haba. Salutan pelindung dan bahan pengkapsul boleh digunakan jika perlu untuk mempercepatkan pemindahan haba ke peranti sokongan atau peranti pelesapan haba.

4). Untuk meningkatkan keupayaan pelesapan haba PCB, basbar boleh digunakan, yang boleh dianggap sebagai radiator yang sangat baik dan mampu meningkatkan prestasi anti-gangguan PCB.
5). Untuk meningkatkan keupayaan pelesapan haba papan litar bercetak (PCB), ketebalan kerajang logam hendaklah ditingkatkan, dan konduktor dalaman hendaklah menggunakan kerajang logam dengan kawasan yang besar. Selain itu, lebar talian tanah hendaklah ditingkatkan dengan sewajarnya kerana talian tanah dengan kawasan yang besar bukan sahaja dapat meningkatkan keupayaan anti-gangguan malah keupayaan pelesapan haba.

c.Pemasangan Komponen dan Susun Atur PCB

Susun atur komponenadalah sangat penting untuk prestasi terma PCB, terutamanya yang diletakkan secara menegak. Arah pemasangan komponen hendaklah mematuhi ciri aliran penyejuk bagi memberikan rintangan paling rendah kepada penyejuk. Peraturan yang terpakai pada komponen dari segi pemasangan dan susun atur termasuk:

1). Untuk produk dengan kaedah penyejukan udara perolakan bebas, adalah paling baik untuk menyusun IC atau komponen lain secara memanjang seperti contoh yang ditunjukkan dalam Rajah 2 di bawah. Untuk produk dengan kaedah penyejukan udara paksa, adalah paling baik untuk menyusun IC atau komponen lain secara melintang memanjang seperti contoh yang ditunjukkan dalam Rajah 3 di bawah.

2). Komponen pada PCB yang sama hendaklah dikelaskan dan diletakkan mengikut tahap penghasilan haba dan pelesapan haba mereka. Komponen dengan penghasilan haba yang rendah atau rintangan haba yang rendah (transistor isyarat kecil, IC skala kecil, kapasitor elektrolit, dan lain-lain) hendaklah diletakkan di bahagian hulu (pintu masuk) manakala komponen dengan penghasilan haba yang tinggi atau rintangan haba yang tinggi (transistor frekuensi, IC skala besar, dan lain-lain) hendaklah diletakkan di bahagian hilir. Di sekeliling penguat isyarat kecil hendaklah diletakkan komponen dengan hanyutan suhu yang kecil dan kapasitor medium cecair hendaklah dijauhkan daripada sumber haba.
3). Pada arah mendatar, komponen dengan frekuensi tinggi harus disusun bersebelahan dengan tepi PCB untuk meminimumkan laluan pemindahan haba. Pada arah menegak, komponen dengan frekuensi tinggi harus disusun berhampiran bahagian atas PCB untuk mengurangkan pengaruhnya terhadap suhu komponen lain.
4). Komponen yang sensitif terhadap suhu harus disusun di kawasan yang mempunyai suhu paling rendah seperti bahagian bawah produk. Komponen tersebut tidak boleh diletakkan betul-betul di atas komponen yang menjana haba dan ia hendaklah diletakkan jauh daripada komponen yang menjana haba atau diasingkan daripadanya.
5). Komponen dengan penggunaan kuasa dan penjanaan haba paling tinggi hendaklah disusun bersebelahan dengan tempat pelesapan haba yang terbaik. Jangan sekali-kali menyusun komponen bersuhu tinggi di sudut atau di tepi kecuali radiator disusun di sekelilingnya. Semasa menyusun perintang kuasa, komponen yang agak besar hendaklah dipilih dan ruang pelesapan haba yang mencukupi hendaklah ditinggalkan untuknya dalam proses susun atur PCB.
6). Kuasa hendaklah diagihkan secara sekata pada PCB untuk mengekalkan keseimbangan dan keseragaman serta mengelakkan pemusatan titik haba. Adalah sukar untuk mencapai keseragaman yang benar-benar ketat tetapi kawasan dengan kuasa yang sangat tinggi mesti dielakkan supaya titik yang terlalu panas tidak menjejaskan operasi normal keseluruhan litar.
7). Dalam proses reka bentuk PCB, laluan aliran udara mesti diambil kira sepenuhnya dan komponen mesti disusun dengan munasabah. Udara cenderung mengalir ke kawasan yang mempunyai rintangan kecil, jadi ruang udara yang agak besar harus dielakkan semasa menyusun komponen pada PCB.
8). Teknologi pemasangan terma hendaklah digunakan pada papan litar untuk mencapai kesan pemindahan haba yang agak baik. Lebih separuh daripada haba yang dijana oleh komponen seperti IC dan mikroprosesor dipindahkan ke PCB melalui kaki mereka sendiri yang lubang pemasangannya hendaklah menggunakan lubang bersalut logam. Komponen ini juga boleh dipasang terus pada batang atau papan pengalir haba untuk mengurangkan rintangan terma yang disebabkan oleh komponen.
9). Rintangan terma hendaklah dikurangkan sebanyak mungkin pada sambungan antara komponen dengan pelesapan haba tinggi dan PCB. Untuk memenuhi keperluan sifat haba, beberapa bahan pengalir haba boleh digunakan di bawah cip dan pelesapan haba komponen di kawasan sentuhan hendaklah dikekalkan.
10). Pin komponen hendaklah dipendekkan dalam sambungan antara komponen dan PCB. Apabila memilih komponen dengan penggunaan kuasa yang tinggi, kekonduksian bahan kaki (lead) hendaklah diambil kira. Jika boleh, pilih komponen yang mempunyai keratan rentas kaki yang lebih besar dan yang mempunyai bilangan pin paling banyak.

d.Keperluan Lain
1). Pakej Komponen: jenis pakej komponen dan kadar pengaliran haba perlu dipertimbangkan dalam reka bentuk terma PCB. Laluan pengaliran haba boleh disediakan antara substrat dan pakej komponen dan pemisahan udara harus dielakkan pada laluan pengaliran haba.
2). Kaedah Teknik: suhu tinggi setempat boleh berlaku di kawasan yang mempunyai komponen pada kedua-dua belah papan. Untuk mengubah keadaan pelesapan haba, sedikit kuprum halus boleh ditambah ke dalam pes pateri supaya titik pateri akan meningkat ke ketinggian tertentu di bawah komponen. Ruang udara antara komponen dan PCB akan bertambah sekali gus dapat meningkatkan perolakan haba.
3). Lubang Pelesapan Haba: beberapa lubang pelesapan haba dan lubang buta boleh disusun pada PCB supaya kawasan pelesapan haba dapat ditingkatkan dengan berkesan, rintangan terma dapat dikurangkan dan ketumpatan kuasa PCB dapat ditingkatkan.

Analisis Terma

Berdasarkan pemindahan haba pengiraan, analisis terma yang kaedah pengiraan berangka utamanya merangkumi kaedah perbezaan terhingga, kaedah unsur terhingga dan kaedah unsur sempadan, merujuk kepada proses mempermudah modul, membina modul matematik, menyelesaikan persamaan tak linear, membangunkan dan melaraskan prosedur analisis dan pengiraan, pengukuran serta ujian parameter terma.

Sebagai aspek asas dalam reka bentuk terma, analisis terma ialah kaedah penting untuk menilai kepentingan reka bentuk terma. Analisis terma PCB merujuk kepada proses mewujudkan modul terma komponen dan menetapkan parameter kawalan simulasi mengikut struktur danbahan mentah PCB, jenis pakej komponen dan persekitaran operasi PCB untuk menganggarkan nilai tingkah laku terma PCB. Analisis terma mesti dijalankan pada fasa konsep sebelum susun atur dan sepanjang keseluruhan proses reka bentuk PCB.

Nilai suhu komponen, suhu papan dan suhu aliran udara boleh diperoleh daripada analisis terma, yang memaparkan atribut terma PCB dalam bentuk gambar berwarna, grafik visual isoterma suhu atau data khusus.

Berdasarkan hasil analisis terma, masalah terma pada PCB dapat dikenal pasti dengan cepat dan langkah-langkah yang sesuai dapat diambil tepat pada masanya serta kawasan padat bersuhu tinggi dapat dihapuskan, yang akan menentukan laluan pengaliran haba, mengoptimumkan kedudukan komponen utama, bentuk dan saiz radiator untuk memanfaatkan sepenuhnya kadar pelesapan haba, meningkatkan kecekapan pemindahan haba bagi lubang pelesapan haba dan radiator serta menentukan jarak antara papan dan komponen pada papan.

PCCBart mempunyai Pengalaman Luas dalam Pembuatan PCB dengan Ciri-ciri Termaju

Kawalan terma mesti dioptimumkan untuk memenuhi keperluan prestasi dan kebolehpercayaan elektronik masa kini apabila peranti menjadi lebih kecil dan lebih bersepadu. Reka bentuk PCB yang berkesan dengan teknik penyejukan pintar dan kedudukan komponen yang sesuai diperlukan supaya peranti tidak menjadi terlalu panas dan sistem elektronik dapat berfungsi lebih lama. Dengan kaedah reka bentuk terma yang canggih, jurutera boleh menawarkan operasi yang boleh dipercayai walaupun di bawah keadaan tekanan terma yang teruk, sekali gus melindungi peranti daripada kemungkinan kegagalan.

PCBCart, dengan pengalaman bertahun-tahun dalam pembuatan PCB, mengkhusus dalam menghasilkan papan litar berprestasi tinggi dengan pengurusan haba yang cemerlang. Dengan pelanggan di seluruh dunia, kami menawarkan PCB tersuai dengan teknologi penyejukan termaju yang disesuaikan dengan keperluan khusus anda. Tumpuan kami terhadap kualiti dan inovasi memastikan produk elektronik anda berfungsi dengan boleh dipercayai walaupun dalam keadaan yang ekstrem.

Minta Sebut Harga Tersuai untuk Projek PCB Anda dengan PCBCart

Sumber Berguna
•Pertimbangan Reka Bentuk Terma PCB
•Reka Bentuk Pelesapan Haba Dalaman PCB berdasarkan Model Terma
•PCB Teras Teras Logam: Penyelesaian Ideal untuk Isu Haba dalam PCB dan PCBA
•Cara Menilai Pengeluar PCB atau Pemasang PCB
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh daripada PCBCart
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Lanjutan daripada PCCBart