การพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์อย่างรวดเร็วทำให้เกิดการปรับปรุงทันทีในด้านความเร็วในการประมวลผล ความถี่ในการประมวลผล และความสมบูรณ์ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ เมื่อขนาดของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าต่อปริมาตรก็ยิ่งสูงขึ้น อีกทั้งแนวโน้มการพัฒนาไปสู่ความบาง ความเบา และขนาดจิ๋วยังทำให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มีค่าความร้อนที่เกิดขึ้นต่อหน่วยปริมาตรเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ด้วยการอัปเกรดของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ได้รับผลกระทบอย่างรุนแรงจากการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความหนาแน่นการไหลของความร้อนในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ตามหลักการ 10 องศา ทุกครั้งที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียส พารามิเตอร์บางส่วนของชิ้นส่วนบางชนิดจะลดลงครึ่งหนึ่ง จากงานวิจัยพบว่า 55% ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกิดความเสียหายเนื่องจากอุณหภูมิเกินค่าที่กำหนดของชิ้นส่วน ดังนั้น การ…เค้าโครงคอมโพเนนต์และการกระจายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นปัจจัยหลักที่วิศวกรจำเป็นต้องคำนึงถึง
การออกแบบการระบายความร้อนของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มักแบ่งออกเป็นระดับต่อไปนี้: ระดับระบบ ระดับบอร์ด และระดับแพ็กเกจ การออกแบบการระบายความร้อนในระดับบอร์ดหมายถึงการออกแบบการระบายความร้อนของฮีตซิงสเตนซิลอิเล็กทรอนิกส์และ PCB บทความนี้จะนำเสนอวิธีการระบายความร้อนแบบใหม่ที่ทำให้ความร้อนบริเวณด้านล่างของอุปกรณ์ถูกถ่ายเทออกสู่ภายนอกได้อย่างรวดเร็ว และเพิ่มพื้นที่การระบายความร้อนของอุปกรณ์โดยไม่กระทบต่อการจัดวางเลย์เอาต์ของ PCB ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อลดอุณหภูมิของอุปกรณ์และความแตกต่างของอุณหภูมิ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการระบายความร้อนแบบดั้งเดิม วิธีการใหม่นี้มีคุณลักษณะบางประการ เช่น โครงสร้างการระบายความร้อนหลายรูปแบบ การลดความเค้นความร้อนของ PCB และการใช้พื้นที่น้อย การระบายความร้อนโดยรวมของ PCB มีลักษณะไม่เป็นเอกพันธ์ (anisotropic) เนื่องจากมีรูปแบบหลายชนิดของเลเยอร์ PCB รวมถึงเลเยอร์บน เลเยอร์ล่าง และเลเยอร์ลายวงจร ซึ่งทำให้เกิดคุณลักษณะหลายอย่าง เช่น ปริมาณทองแดง ความหนาทองแดง รูปแบบรูทะลุ และตำแหน่งต่าง ๆ โดยอ้างอิงจากซอฟต์แวร์วิเคราะห์ความร้อน รวมถึงรูปร่างทางกายภาพและคุณลักษณะด้านความร้อนของอุปกรณ์ บทความนี้จะสร้างแบบจำลอง PCB และอุปกรณ์แบบง่าย และอภิปรายเกี่ยวกับความยาว ความกว้าง และจำนวนครีบระบายความร้อน พร้อมทั้งนำเสนอผลการทดลองที่ได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลการจำลองภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน
หลักการวิเคราะห์ความร้อน
ทฤษฎีการวิเคราะห์เชิงความร้อนที่แผงวงจรพิมพ์ระดับนี้อิงตามหลักการพื้นฐานของทฤษฎีการถ่ายเทความร้อน กระบวนการถ่ายเทความร้อนประกอบด้วยโหมดการถ่ายเทความร้อนที่แตกต่างกันสามแบบ ได้แก่ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ซึ่งในบรรดานี้ การนำความร้อนเป็นวิธีการระบายความร้อนหลัก
ตามกฎการนำความร้อนของฟูริเยร์ในทฤษฎีการถ่ายเทความร้อน ที่ชั้นเชิงอนุพันธ์ซึ่งมีความหนาใด ๆ ของdตามทิศทางของx, พลังงานที่ผ่านdในหนึ่งหน่วยเวลาแปรผันโดยตรงกับพื้นที่Aของอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซึ่งสามารถแสดงได้ในรูปสูตร
.
ในสูตรนี้ถาม(W) หมายถึงพลังงานที่ผ่านพื้นที่Aที่หนึ่งหน่วยเวลา ซึ่งก็คือการไหลของความร้อนA(m²) หมายถึงพื้นที่หน้าตัดในทิศทางการนำไฟฟ้าL(m) หมายถึงความยาวของเส้นทางการนำไฟฟ้าk[W/(m•°C)] คือค่าการนำความร้อนΔ t(°C) คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองด้านของd.x(m) คือเส้นทางการไหลของความร้อน เครื่องหมายลบแสดงถึงทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการถ่ายเทความร้อนและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
ความหนาแน่นของการไหลของความร้อนq(W/m²) หมายถึงปริมาณการไหลของความร้อนที่ผ่านพื้นที่หนึ่งหน่วยAภายในหน่วยเวลา ซึ่งแสดงไว้ในสูตร
.
วัสดุแต่ละชนิดมีค่าการนำความร้อนแตกต่างกันkซึ่งค่าที่สูงบ่งบอกถึงความเป็นสื่อนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม
ทฤษฎีความต้านทานความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
PCB เป็นโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อนประเภทหนึ่งซึ่งการนำความร้อนมีลักษณะไม่เป็นเอกพันธ์ ในการวิเคราะห์ความร้อนของ PCB โครงสร้างวัสดุในแต่ละชั้นมีความแตกต่างกัน ทำให้การสร้างแบบจำลองทำได้ยากเนื่องจากจำนวนกริดมีมากและความเร็วในการคำนวณช้า บทความนี้ใช้แบบจำลองที่ทำให้เรียบง่ายขึ้นโดยอาศัยซอฟต์แวร์วิเคราะห์ความร้อน แบบจำลอง PCB หลายชั้นที่ทำให้เรียบง่ายแสดงไว้ในรูปที่ 1 ด้านล่าง
สมมติว่าชั้นทองแดงและชั้น FR-4 มีความหนาเท่ากัน และแต่ละชั้นมีระยะห่างเท่ากันknนั่นคือค่าการนำความร้อนปกติและkพซึ่งเป็นค่าการนำความร้อนของแต่ละชั้นที่ใช้ในการอธิบายสมรรถนะทางความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สูตรต่อไปนี้สามารถใช้ในการคำนวณค่าkนและkp.
ในสูตรนี้δCuหมายถึงความหนาของแต่ละชั้นทองแดงkCuคือค่าการนำความร้อนของทองแดง ซึ่งมีค่าเท่ากับ 388[W/(m•°C)];kjคือค่าการนำความร้อนของการเดินสายทองแดงแต่ละเส้นδฟคือความหนาของแต่ละชั้น FR-4kFคือค่าการนำความร้อนของ FR-4 ซึ่งมีค่าเท่ากับ 0.35[W/(m•°C)];δแผงวงจรพิมพ์คือความหนาโดยรวมของแผ่น PCBAjคือพื้นที่รวมของการเดินลายทองแดงบนเลเยอร์j. ความต้านทานความร้อนของแผ่น PCB แสดงไว้ในแบบจำลองอย่างง่ายในรูปที่ 2
อุณหภูมิของชั้นผิวหน้า PCB และชั้นล่างตามลำดับต1และต2; ความร้อนที่ถ่ายเทโดยรวมคือถาม; ความต้านทานโดยรวมคือR; ค่าความต้านทานความร้อนของแต่ละชั้นในทิศทางความหนาคือR1,อ2และอ3และในที่สุดแ1,L2และแ3; พื้นที่ของกระดานคือAจากรูปที่ 2(a) ทิศทางควรเป็นแนวตั้งเท่านั้น และสามารถคำนวณความต้านทานความร้อนได้จากสมการต่อไปนี้:
อ1= แ1(A•k1)
R2= แ2(A•k2)
R3= แ3(เอ•เค3)
จากรูปที่ 2(b) ทิศทางควรเป็นแนวนอนเท่านั้น และสามารถคำนวณความต้านทานความร้อนได้จากสมการต่อไปนี้:
R1= L/(A1•k1)
R2= L/(A2•k2)
R3= L/(A3•k3)
1/R = 1/R1+ 1/R2+ 1/R3
สามารถแสดงค่าความต้านทานความร้อนโดยรวมในแนวตั้งและแนวนอนได้ตามการต่ออนุกรม-ขนานของความต้านทานความร้อนผ่านสมการQ = (t1- ต2)/R.
จากสูตรข้างต้นจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่า ความต้านทานความร้อนโดยรวมในแนวนอนมีค่าต่ำกว่าในแนวตั้งมาก ดังนั้น หากฝังทองแดงในแนวนอนบนแผ่น PCB จะได้ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดียิ่งขึ้น บทความนี้เลือกใช้แผ่น PCB แบบสองชั้นเป็นวัตถุในการวิเคราะห์ รูปที่ 3 เป็นภาพร่างของการฝังทองแดงในแผ่น PCB
การวิเคราะห์และการตรวจสอบด้วยการจำลอง
• การออกแบบโมเดล PCB
ขนาดของโมเดลแบบย่อแสดงไว้ในตารางด้านล่าง
|
รายการ
|
ขนาด
|
| แผงวงจรพิมพ์ |
100มม.*100มม. |
| ชิป |
10มม.*10มม. |
| แพ็กเกจคอมโพเนนต์ |
20มม.*20มม. |
| การใช้พลังงานของชิป |
8W |
คอมโพเนนต์ถูกวางไว้ที่กึ่งกลางของแผ่น PCB ซึ่งมีแหล่งกำเนิดความร้อนที่มีทองแดงฝังอยู่ด้านล่าง ครีบระบายความร้อนทองแดงถูกฝังอยู่ติดกับทองแดง รูปที่ 4 คือแบบจำลองการจำลองที่มีขนาด 0.5 มม. x 30 มม.
วงจรที่มีกระแสไฟฟ้า 2A ถูกตั้งให้เป็นวัตถุจำลอง โดยให้ความกว้างของลายวงจรอย่างน้อย 0.5 มม. และรูทะลุ 0.5 มม. ครีบระบายความร้อนที่อยู่ติดกับทองแดงฝังต้องมีระยะห่างอย่างน้อย 1 มม. และความกว้างของครีบระบายความร้อนในบทความนี้กำหนดให้เป็น 0.13 มม., 0.25 มม., 0.5 มม., 0.75 มม. และ 1 มม. และความยาว 20 มม., 30 มม. และ 40 มม. ภายใต้เงื่อนไขความกว้าง 10 มม. และระยะห่างน้อยกว่า 1 มม. จำนวนครีบระบายความร้อนที่มีความกว้างต่างกันจะแสดงไว้ในตารางด้านล่าง
|
ความกว้างครีบ (มม.)
|
อุณหภูมิ (°C)
|
ความยาวครีบ (มม.)
|
จำนวนครีบ
|
|
20
|
30
|
40
|
| 0.13 |
สูงสุด |
96.7 |
91.2 |
89.8 |
10 |
| ต่ำสุด |
89.1 |
84.5 |
83.4 |
| 0.25 |
สูงสุด |
92.5 |
89.5 |
87.5 |
8 |
| ต่ำสุด |
85.4 |
83.6 |
81.9 |
| 0.50 |
สูงสุด |
92.1 |
88.6 |
86.2 |
7 |
| ต่ำสุด |
85.3 |
83.2 |
81.2 |
| 0.75 |
สูงสุด |
91.9 |
87.9 |
85.3 |
6 |
| ต่ำสุด |
85.2 |
83.0 |
80.8 |
| 1.00 |
สูงสุด |
91.8 |
87.8 |
85.1 |
5 |
| ต่ำสุด |
85.0 |
82.9 |
80.8 |
| อุณหภูมิของชิ้นส่วนที่ไม่มีทองแดงฝัง (°C) |
ค่าสูงสุด: 108.4
ต่ำสุด: 98.3 |
• การวิเคราะห์ผลลัพธ์
จากตารางที่ 2 สามารถสรุปได้ว่าความแตกต่างของความกว้างและความยาวของครีบทองแดงล้วนทำให้อุณหภูมิของชิ้นส่วนบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง ควรเลือกความยาวของ PCB และความกว้างของครีบที่เหมาะสมโดยคำนึงถึงสภาพการใช้งานจริงและต้นทุนของทองแดง รูปที่ 5 เป็นกราฟแสดงอุณหภูมิสูงสุดของชิ้นส่วน ในขณะที่รูปที่ 6 เป็นกราฟแสดงอุณหภูมิต่ำสุดของชิ้นส่วน
จากแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงที่แสดงในกราฟ สามารถสรุปได้ว่าเมื่อความกว้างของครีบระบายความร้อนน้อยกว่า 0.5 มม. อุณหภูมิของชิ้นส่วนจะลดลงอย่างมากเมื่อความกว้างของครีบเพิ่มขึ้น การลดลงของอุณหภูมิจะมีแนวโน้มคงที่เมื่อความกว้างมากกว่า 0.5 มม. ดังนั้น ความแตกต่างของอุณหภูมิจะมากที่สุดเมื่อคงความกว้างของครีบไว้ที่ 0.5 มม. โดยมีต้นทุนวัสดุต่ำที่สุด เมื่อจำนวนครีบระบายความร้อนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของชิ้นส่วนจะลดลง
อุณหภูมิลดลงมากที่สุด มากกว่า 5°C เมื่อความยาวครีบอยู่ในช่วง 20 มม. ถึง 30 มม. อุณหภูมิลดลงในระดับน้อย ประมาณมากหรือน้อยกว่า 2°C เมื่อความยาวครีบอยู่ในช่วง 30 มม. ถึง 40 มม. ดังนั้น ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ลดลงจะค่อนข้างมากเมื่อเลือกใช้ครีบที่มีความยาว 20 มม. ถึง 30 มม. โดยมีต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ เมื่อพิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่าครีบระบายความร้อนของ PCB ไม่สามารถยาวหรือกว้างเกินไปได้ จึงเหมาะสมที่จะเลือกใช้ครีบที่มีความกว้าง 0.5 มม. และความยาว 30 มม.
รูปที่ 7 เป็นกราฟการกระจายอุณหภูมิจากการจำลองของแผ่น PCB โดยไม่มีทองแดงฝังอยู่ ในขณะที่รูปที่ 8 เป็นกราฟการกระจายอุณหภูมิจากการจำลองของแผ่น PCB ที่มีครีบซึ่งมีความยาว 30 มม. และความกว้าง 0.5 มม.
จากรูปทั้งสองสามารถทราบได้ว่า อุณหภูมิสูงสุดลดลงจาก 108.4°C เหลือ 88.6°C โดยมีอัตราการลดลง 18.5% อุณหภูมิต่ำสุดลดลงจาก 98.3°C เหลือ 83.2°C โดยมีอัตราการลดลง 15.3% จากการเปรียบเทียบสนามอุณหภูมิระหว่างรูปที่ 7 และรูปที่ 8 พบว่า PCB ที่มีทองแดงฝังอยู่สามารถช่วยให้สนามอุณหภูมิกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและลดความแตกต่างของอุณหภูมิบนแผ่น เพื่อหลีกเลี่ยงจุดร้อน PCB ที่มีทองแดงฝังอยู่ช่วยลดอุณหภูมิของอุปกรณ์ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงการกระจายความร้อนของอุปกรณ์บน PCB ทำให้ความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างมาก
เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีการพัฒนาและมีขนาดเล็กลง การควบคุมความร้อนที่เหมาะสมในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นสิ่งจำเป็นต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ วิธีการใหม่ ๆ รวมถึงการใช้ทองแดงฝังภายในและครีบระบายความร้อนที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม สามารถลดอุณหภูมิของชิ้นส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยกระจายความร้อนได้อย่างเพียงพอโดยไม่ทำให้เกิดจุดร้อน วิธีการเหล่านี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วยการสร้างสภาวะการทำงานที่เหมาะสมที่สุด
PCBCart เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ระดับไฮเอนด์ โดยใช้เทคนิคการจัดการความร้อนที่ล้ำสมัยที่สุดเพื่อมอบผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้ ประสบการณ์ของเราช่วยให้สามารถมอบโซลูชันที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ร่วมเป็นพันธมิตรกับเราเพื่อรับแผ่นวงจรพิมพ์ที่ออกแบบอย่างแม่นยำ ขอใบเสนอราคาวันนี้เพื่อปลดปล่อยศักยภาพการออกแบบของคุณ
ขอใบเสนอราคาแผงวงจรพิมพ์แบบกำหนดเองของคุณด้วยโซลูชันจากผู้เชี่ยวชาญของ PCBCart
