ข้อควรพิจารณาในการออกแบบการจัดการความร้อนของ PCB

ด้วยชิ้นส่วนกำลังที่มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ในแพ็กเกจแบบติดตั้งบนพื้นผิว จึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องคิดหาแนวทางที่สอดคล้องกันในการบรรเทาความต้องการด้านการกระจายความร้อนของชิ้นส่วนเหล่านี้ในงานออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แม้ว่าการพัฒนาการวิเคราะห์เชิงคณิตศาสตร์อย่างแม่นยำของลักษณะทางความร้อนของงานออกแบบ PCB จะเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน แต่ก็สามารถประยุกต์ใช้กฎง่าย ๆ บางประการเพื่อปรับปรุงการนำความร้อนในงานออกแบบของคุณได้ ท้ายที่สุดแล้ว การควบคุมการกระจายความร้อนในงานออกแบบของคุณอย่างเหมาะสมจะช่วยให้คุณสามารถผลิตอุปกรณ์ที่มีความน่าเชื่อถือมากขึ้นและแผงวงจรพิมพ์ประหยัดค่าใช้จ่ายการออกแบบ ต่อไปนี้เป็นการอภิปรายโดยสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองการกระจายความร้อนมาตรฐาน และจากนั้นเป็นกฎทั่วไปบางประการสำหรับการจัดการการกระจายความร้อนในการออกแบบของคุณ

ก่อนอื่นสิ่งสำคัญคือการกำหนดคำศัพท์ที่จะใช้ตลอดทั้งเนื้อหาส่วนที่เหลือ รูปถัดไปจะแสดงส่วนประกอบต่าง ๆ ของวงจรรวมกำลัง (power IC) ที่เราต้องพิจารณาเมื่อพูดถึงการจัดการความร้อน ในบทความนี้เราจะกล่าวถึงอุณหภูมิของจังชัน (Junction) ด้านบน (Top) และตัวหุ้ม (Case) ของชิ้นส่วน รวมถึงความต้านทานความร้อนของมันต่อสภาพแวดล้อมโดยรอบ

เมื่อมีคำศัพท์เหล่านี้อยู่ในมือแล้ว เราจะมาดูแบบจำลองมาตรฐานที่ใช้จำลองการกระจายความร้อนของชิ้นส่วนกันโดยสังเขป ความต้านทานความร้อนมักถูกจำลองเป็นเครือข่ายตัวต้านทาน แบบจำลองมาตรฐานสำหรับชิ้นส่วนจะแสดงไว้ในรูปต่อไปนี้:

ในรูปที่นำเสนอ T_Jถูกกำหนดให้เป็นอุณหภูมิของจุดต่อ (ส่วนการทำงานภายในของอุปกรณ์) T_ทีคืออุณหภูมิของ “ด้านบน” ของแพ็กเกจ (โดยทั่วไปคือส่วนห่อหุ้มพลาสติกของคอมโพเนนต์) T_Cคืออุณหภูมิของ “เคส” (ซึ่งเป็นอุณหภูมิของแผ่นรองที่มีการนำความร้อนสูงของชิ้นส่วนและแผงวงจรพิมพ์ที่ต่ออยู่) และ T_Aคืออุณหภูมิของสภาพแวดล้อมโดยรอบ เป้าหมายของผู้ออกแบบอิเล็กทรอนิกส์คือการสร้างค่าความต้านทานความร้อนระหว่างจังชันกับสภาพแวดล้อมโดยรอบให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยมีข้อยกเว้นของ θ_CA, ความต้านทานความร้อนของระบบ (θ_เจที, θ_ทีเอและ θ_เจซี) ถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของคอมโพเนนต์และสามารถดึงมาจากแผ่นข้อมูลของคอมโพเนนต์นั้น ในฐานะผู้ออกแบบ PCB โดยหลักแล้วเราสามารถมีอิทธิพลต่อค่าของ θ_CAซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ PCB ของเรา ดังนั้น ความท้าทายหลักสำหรับผู้ออกแบบคือการลดความต้านทานความร้อนจากตัวถังของ IC ไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบด้วยการลดค่าความต้านทานนี้ลง ระดับที่เราสามารถลดความต้านทานความร้อนนี้ได้ดีเพียงใด (θ_CA) จะเป็นตัวกำหนดส่วนใหญ่ถึงความแตกต่างของอุณหภูมิ (หรือการไม่มีความแตกต่างของอุณหภูมิ) ที่จะเกิดขึ้นระหว่างสภาพแวดล้อมโดยรอบกับจุดเชื่อมต่อของคอมโพเนนต์

สิ่งที่ควรสังเกตคือ เส้นทางอื่นสำหรับการนำความร้อนคือเคสพลาสติก (หรือ “ด้านบน”) ของอุปกรณ์ เนื่องจากบรรจุภัณฑ์พลาสติกของอุปกรณ์กำลังส่วนใหญ่ไม่ได้ให้เส้นทางการนำความร้อนที่ดีไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบ ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของการออกแบบจึงขึ้นอยู่กับความสามารถของการออกแบบในการกระจายพลังงานความร้อนไปยังสภาพแวดล้อมรอบข้างผ่านเคสของมันมากกว่า ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือเมื่อ IC กำลังที่กล่าวถึงถูกออกแบบให้มีแผ่นระบายความร้อนอยู่ด้านบนของอุปกรณ์ ในกรณีนี้ IC ถูกออกแบบมาให้ติดตั้งฮีตซิงเข้ากับด้านบนของ IC โดยตรง และการกระจายความร้อนของอุปกรณ์ผ่านทาง “ด้านบน” จึงกลายเป็นปัจจัยที่สำคัญกว่ามากในการออกแบบ

วิธีมาตรฐานในการถ่ายเทความร้อนออกจากอุปกรณ์กำลัง คือการเชื่อมต่ออุปกรณ์กำลังเข้ากับแผ่นทองแดงที่อยู่ติดกันผ่านทางรูวายาแบบถ่ายเทความร้อน โดยทั่วไปจะทำได้โดยการวางรูวายาจำนวนหนึ่งไว้ในพื้นที่ฟุตพริ้นต์ของไอซีแบบกำลัง รูวายาเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมต่อความร้อนกับชั้นทองแดงที่อยู่ด้านล่างไอซี ซึ่งจะนำความร้อนออกจากอุปกรณ์ต่อไป

นอกจากนี้ ยิ่งมีระนาบทองแดงสำหรับจ่ายไฟที่เชื่อมต่อกับ IC กำลังผ่านทางผ่านระบายความร้อนมากเท่าใด ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของแผ่น PCB ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น การใช้การออกแบบแบบ 4 ชั้นเทียบกับแบบ 2 ชั้น สามารถเพิ่มความสามารถในการกระจายกำลังไฟของแผ่น PCB ได้มากถึง 30% เมื่อเปรียบเทียบในพื้นที่ขนาดเท่ากันของการออกแบบเหล่านั้น

กฎการออกแบบต่อไปนี้จัดทำขึ้นเพื่อเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับการพิจารณาด้านความร้อนในการออกแบบของคุณ

a.เพื่อระบายกำลังไฟ 1 วัตต์ กฎโดยประมาณที่ดีคือบอร์ดของคุณควรมีพื้นที่ 15.3 ซม.² หรือ 2.4 นิ้ว² ต่อวัตต์ที่ถูกระบาย เพื่อให้ได้อุณหภูมิของบอร์ดเพิ่มขึ้น 40°C หากบอร์ดได้รับการระบายอากาศด้วยลม ความต้องการนี้สามารถลดลงครึ่งหนึ่ง (7.7 ซม.² หรือ 1.2 นิ้ว² ต่อวัตต์) ค่าตัวเลขเหล่านี้ถือว่าชิ้นส่วนถูกเชื่อมต่อทางความร้อนกับแผ่นทองแดงที่ขยายไปจนถึงขอบของบอร์ด และบอร์ดถูกจัดวางในลักษณะที่อากาศสามารถไหลเวียนได้อย่างอิสระรอบ ๆ ทั้งสองด้านของบอร์ด หากข้อกำหนดด้านความหนาแน่นของกำลังไฟเหล่านี้เข้มงวดเกินไปสำหรับการออกแบบของคุณ อาจจำเป็นต้องติดตั้งฮีตซิงก์ภายนอกเพิ่มเติม นอกจากนี้ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 40°C ถือเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการพิจารณาเมื่อควบคุมแผงวงจรอุณหภูมิของมัน

ข.ทุกครั้งที่มีการวางคอมโพเนนต์กำลังมากกว่าหนึ่งตัวบนบอร์ด แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดคือการจัดวางคอมโพเนนต์เหล่านั้นในลักษณะที่ทำให้แผ่น PCB ของคุณได้รับความร้อนอย่างสม่ำเสมอจากคอมโพเนนต์เหล่านี้ ความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากเกินไปตลอดความยาวของการออกแบบ PCB ของคุณจะไม่เอื้อให้ PCB สามารถถ่ายเทพลังงานความร้อนออกจากคอมโพเนนต์กำลังที่ติดตั้งได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากผู้ออกแบบมีเครื่องมือพร้อมใช้งาน การถ่ายภาพความร้อนสามารถช่วยให้ทำการตรวจสอบเชิงประจักษ์ของการจัดวางคอมโพเนนต์เมื่อการปรับปรุงการออกแบบเสร็จสมบูรณ์แล้ว

ค.ยิ่งคุณสามารถวางวิอาไว้ใต้ชิ้นส่วนได้มากเท่าใด แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ของคุณก็จะยิ่งถ่ายเทพลังงานความร้อนไปยังระนาบทองแดงที่เชื่อมต่อได้ดีขึ้นเท่านั้น จัดวางวิอาเป็นตารางเพื่อเพิ่มจำนวนวิอาที่สัมผัสกับแผ่นจ่ายไฟของแพ็กเกจของคุณ (แผ่นรองที่นำความร้อนขนาดใหญ่ของชิ้นส่วน)

ง.ในการออกแบบที่มีการกระจายกำลังวัตต์สูงขึ้น คุณจำเป็นต้องใช้แผ่นทองแดงที่มีน้ำหนักมากขึ้น โดยแนะนำให้ใช้ทองแดงหนา 1oz เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการออกแบบวงจรกำลัง

จ.เมื่อใช้พื้นที่ทองแดงเพื่อกระจายพลังงานความร้อนออกจากอุปกรณ์ สิ่งสำคัญคือต้องไม่ให้พื้นที่ทองแดงนั้นถูกขัดจังหวะด้วยลายวงจรที่วิ่งในแนวตั้งฉากกับเส้นทางการระบายความร้อนที่ออกจากอุปกรณ์กำลัง

f.หากจำเป็นต้องใช้ฮีตซิงก์เพื่อควบคุมอุณหภูมิของระบบให้อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ ควรสังเกตว่าฮีตซิงก์มักจะมีประสิทธิภาพมากกว่ามากหากติดตั้งในลักษณะที่เชื่อมต่อทางความร้อนกับเคสของอุปกรณ์ โดยทั่วไปแล้วหมายถึงการติดฮีตซิงก์ไว้ที่ด้านตรงข้ามของแผงวงจรจากอุปกรณ์แบบติดตั้งผิวหน้า แม้อาจจะดูน่าดึงดูดที่จะติดฮีตซิงก์ไว้ด้านบนของอุปกรณ์โดยตรง แต่ความต้านทานความร้อนของเคสพลาสติกของอุปกรณ์จะทำให้ฮีตซิงก์ไม่มีประสิทธิภาพ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ข้อยกเว้นของกฎนี้คือแพ็กเกจที่ออกแบบมาโดยเฉพาะให้สามารถติดฮีตซิงก์ไว้ที่ “ด้านบน” ของมันได้

โดยสรุปแล้ว ประสิทธิภาพทางความร้อนของการออกแบบเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ต้องคำนึงถึงทุกครั้งเมื่อคุณทำงานกับอุปกรณ์กำลังไฟฟ้า การใช้กฎการออกแบบการนำเสนอในบทความนี้ตั้งแต่ช่วงต้นของกระบวนการออกแบบ PCB ของคุณ จะช่วยให้คุณเริ่มต้นได้ดีในการควบคุมอุณหภูมิของ PCB และช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงการออกแบบใหม่ครั้งใหญ่ในภายหลังระหว่างกระบวนการพัฒนา

โดยทั่วไปแล้ว ประสิทธิภาพทางความร้อนของการออกแบบ PCB ควรถูกดำเนินการอย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อออกแบบด้วยแพ็กเกจชิ้นส่วนกำลังไฟฟ้าขนาดเล็ก การระบายความร้อนควรถูกพิจารณาตั้งแต่เนิ่น ๆ ในขั้นตอนการออกแบบเพื่อรับประกันความคุ้มค่าด้านต้นทุนและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ด้วยการใช้วิธีการสำคัญต่าง ๆ เช่น via ระบายความร้อน แผ่นทองแดง และการจัดวางชิ้นส่วนอย่างรอบคอบ นักออกแบบสามารถลดความต้านทานความร้อนได้อย่างมากและปรับปรุงการกระจายความร้อน การปฏิบัติตามแนวทางเชิงปฏิบัติเหล่านี้สามารถนำไปสู่การออกแบบที่เหมาะสมที่สุดซึ่งหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากความร้อนสูงเกินไปและยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ สำหรับผู้ที่ต้องการนำกลยุทธ์การจัดการความร้อนเหล่านี้ไปใช้กับโปรเจกต์ของตน PCBCart มีบริการแบบครบวงจบริการประกอบและผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)ด้วยคุณภาพและความแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญสูงสุด PCBCart สามารถทำให้การออกแบบของคุณกลายเป็นความจริง ด้วยโซลูชันที่มั่นคงและมีประสิทธิภาพ รับใบเสนอราคาจาก PCBCart วันนี้ และเริ่มสร้างสรรค์การออกแบบ PCB ที่ล้ำสมัยของคุณด้วยการสนับสนุนจากผู้เชี่ยวชาญระดับแนวหน้าของอุตสาหกรรม

ขอใบเสนอราคาทันทีสำหรับการประกอบ PCB และการผลิต PCB

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•หลักการออกแบบการจัดการความร้อนสำหรับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ครอบคลุมที่สุด
•การออกแบบการกระจายความร้อนภายในของ PCB ตามแบบจำลองความร้อน
•เคล็ดลับการออกแบบการจัดการความร้อนสำหรับแผงวงจรพิมพ์ที่ควบคุมด้วยระบบ FPGA
•การออกแบบแผงวงจรพิมพ์กำลังสูงในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูง
•Metal Core PCB ทางออกที่เหมาะสมสำหรับปัญหาความร้อนใน PCB และ PCBA
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น