Prinsip Desain Termal Paling Komprehensif untuk PCB

Diperkirakan lebih dari setengah komponen elektronik gagal karena tegangan tinggi akibat lingkungan termal. Beberapa tahun terakhir telah menyaksikan perangkat luas sirkuit terpadu skala besar dan skala besar (IC) dan teknologi pemasangan permukaan (SMT) dan produk elektronik mulai merangkul arah pengembangan menuju miniaturisasi, kepadatan tinggi, dan keandalan tinggi. Oleh karena itu, sistem elektronik menuntut persyaratan kinerja termal yang semakin tinggi. Bagaimanapun, lahir dengan munculnya produk elektronik, manajemen termal memainkan peran penting dalam menentukan kinerja dan fungsi sistem elektronik.

Sebagai tulang punggung perangkat elektronik, desain PCB (Printed Circuit Boards) yang rasional memastikan kinerjanya yang tinggi. Jika desain PCB sebagian atau bahkan seluruhnya gagal memenuhi persyaratan termal, perangkat elektronik pasti akan mengalami risiko kerusakan atau bahkan kegagalan. Integritas modul sirkuit yang terus berkembang dan aplikasi besar-besaran IC dan modul multi-chip (MCM) berkontribusi pada peningkatan kepadatan perakitan komponen yang selanjutnya mengarah pada kepadatan aliran panas yang lebih tinggi pada PCB. PCB berkualitas tinggi tidak hanya berasal dari tata letak dan perutean yang akurat dan rasional, tetapi juga mengandalkan keandalan termal yang tinggi untuk pengoperasian yang aman. Oleh karena itu, sangat penting untuk menerapkan aturan dan analisis disipasi termal yang komprehensif pada PCB. Artikel ini dimulai dengan prinsip desain termal awal dan memperkenalkan aturan desain termal ramah insinyur untuk aplikasi praktis oleh desainer elektronik untuk pekerjaan mereka.

Prinsip Dasar Desain Termal

Desain termal didasarkan pada teori dasar perpindahan panas dan mekanika fluida. Di mana ada perbedaan suhu, ada perpindahan panas dari zona suhu tinggi ke zona suhu rendah. Perpindahan panas dapat dicapai melalui konduksi panas, konveksi panas, dan radiasi panas.

Rumus perpindahan panas ditampilkan sebagai:=KAΔt, di mana adalah jumlah perpindahan panas yang satuannya adalah W, K adalah koefisien perpindahan panas yang satuannya adalah W/(m ² x K), A adalah luas transmisi panas yang satuannya m ² dan t adalah perbedaan suhu antara fluida termal dan fluida dingin yang satuannya adalah K.

Desain termal PCB didefinisikan sebagai proses di mana resistansi termal dari sumber panas ke ruang konsumsi panas diturunkan ke minimum melalui tindakan pendinginan dengan atribut transmisi termal atau densitas fluida panas dikendalikan agar berada dalam kisaran yang dapat diterima. Untuk memastikan keandalannya, langkah-langkah desain termal yang valid harus diambil dari perspektif berikut, termasuk:
a. Pendinginan alami, yang menghantarkan panas tanpa kekuatan eksternal. Ini mencakup konduksi panas, perpindahan panas radiasi dan perpindahan konveksi alami.
b. Pendinginan udara paksa. Itu membuat aliran udara pendingin melalui perangkat atau komponen elektronik, mentransfer panas dari sumber panas ke heat sink melalui ventilator atau ram air.
c. Pendinginan cairan. Ada dua metode pendinginan fluida:
1). Pendinginan cairan langsung mengacu pada proses di mana komponen langsung direndam ke dalam cairan pendingin.
2). Pendinginan fluida tidak langsung mengacu pada proses di mana komponen tidak bersentuhan langsung dengan cairan pendingin. Namun pendinginan dilakukan melalui heat exchanger atau cold plate.
d. Pendinginan penguapan. Saat ini, ini adalah metode konduksi panas yang paling efektif. Transmisi termal diperoleh dengan ebullition media pendingin.
e. Jenis tindakan pendinginan lainnya:termotube, pelat dingin, pendinginan termoelektrik.

Dalam proses manajemen termal, langkah-langkah desain termal yang tepat dapat dibuat sesuai dengan kondisi praktis seperti lingkungan operasi praktis (suhu, kelembaban, tekanan atmosfer, debu, dll.), densitas fluida termal di kapal, densitas volume daya, dan konsumsi daya total. , luas permukaan, volume, heat sink, dan kondisi khusus lainnya, untuk memastikan pemerataan suhu dan kenaikan suhu yang wajar dalam nilai terbatas yang diatur.

Aturan Desain Termal

Tujuan umum dari desain termal adalah untuk mengontrol suhu semua komponen elektronik yang dipasang pada papan sirkuit di dalam produk elektronik, untuk memastikan stabilitas kinerja listrik, untuk menghindari atau mengurangi penyimpangan suhu parameter listrik, untuk mengurangi tingkat kegagalan dasar komponen, dan untuk membuat suhu di lingkungan operasi tidak melampaui suhu maksimum yang diizinkan. Artikel ini menggambarkan aturan desain termal PCB dalam 3 perspektif:pemanfaatan komponen pada PCB, desain termal PCB, perakitan komponen, dan tata letak PCB.

sebuah. Pemanfaatan Komponen Elektronik

1). Bagaimana cara mengontrol suhu kerja komponen?

Suhu adalah elemen pertama yang mempengaruhi kinerja komponen dan tingkat kegagalan. Temperatur kerja dan konsumsi daya tertinggi yang diizinkan harus ditentukan sesuai dengan tingkat keandalan yang disyaratkan dan tingkat kegagalan terdistribusi dari setiap komponen. Tabel 1 menunjukkan nilai suhu permukaan maksimum yang diizinkan dari komponen dari perspektif keandalan dalam desain termal.

Komponen	Maks. Suhu Permukaan/°C	Komponen	Maks. Suhu Permukaan/°C
Transformator, tersedak	95	Kapasitor keramik	80-85
Resistor film logam	100	Kapasitor keramik kaca	200
Resistor film karbon	120	Transistor silikon	150-200
Resistor film paladium	200	Transistor Germanium	70-90
Resistor lilitan kawat yang ditekan	150	Tabung vakum	15-200
Resistor yang dicetak	85	CMOS paket datar yang disegel sepenuhnya	125
Melukis resistor lilitan kawat	225	DIP Keramik, DIP porselen hitam	/
Kapasitor kertas	75-85	DIP plastik CMOS	85
Kapasitor film	60-130	IC TTL skala kecil	25-125
kapasitor mika	70-120	IC skala menengah TTL	70-85

2). Bagaimana cara mengontrol suhu sambungan komponen?

Suhu sambungan komponen tergantung pada konsumsi dayanya sendiri, ketahanan termal, dan suhu lingkungan. Dengan demikian, langkah-langkah untuk mengontrol suhu sambungan dalam kisaran yang diizinkan meliputi:
• Komponen dengan resistansi termal internal rendah diambil.
• Penurunan daya digunakan untuk menurunkan kenaikan suhu.
• Sirkuit, terutama yang mengandung komponen daya, harus bergantung pada desain termal yang rumit untuk keandalan dengan pedoman yang digambarkan dalam manual standar yang sesuai dengan.

3). Bagaimana merancang penurunan saat komponen digunakan?

Berdasarkan kebutuhan, desain derating dapat diimplementasikan dalam penggunaan praktis untuk membuat komponen bekerja dalam kondisi di bawah parameter pengenal (daya, tegangan, arus) sehingga kenaikan suhu dan tingkat kegagalan akan berkurang secara dramatis.

b. Aturan Desain Termal PCB

Perakitan vertikal PCB bermanfaat untuk pembuangan panas dan jarak antar papan harus dijaga setidaknya 20mm. Aturan desain termal papan meliputi:
1). Material dengan kemampuan anti temperatur tinggi dan parameter konduksi tinggi diambil sebagai material substrat PCB. Ketika datang ke sirkuit dengan daya dan kepadatan tinggi, dasar aluminium dan keramik dapat digunakan sebagai bahan substrat karena ketahanan termal yang rendah (PCBCart sepenuhnya mampu membuat PCB dengan bahan substrat tersebut. Anda dapat mengirim file PCB Anda bersama dengan persyaratan kuantitas pada halaman ini untuk kutipan PCB berbasis Aluminium dan Keramik).
2). Struktur multi-layer adalah pilihan optimal untuk pembuangan termal PCB.
3). Untuk meningkatkan kemampuan konduksi panas papan sirkuit, sebaiknya gunakan papan yang menghilangkan panas. Papan inti logam dapat diterapkan pada PCB multi-lapisan untuk mendapatkan pembuangan panas yang sangat baik antara papan, perangkat pendukung, dan perangkat pembuangan panas. Lapisan pelindung dan bahan enkapsulasi dapat digunakan jika perlu untuk mempercepat transmisi termal ke perangkat pendukung atau perangkat pembuangan panas.

4). Untuk meningkatkan kemampuan disipasi panas PCB, dapat digunakan busbar, yang dapat dianggap sebagai radiator yang sangat baik dan mampu meningkatkan kinerja anti-interferensi PCB.
5). Untuk meningkatkan kemampuan disipasi termal PCB, ketebalan foil logam harus ditingkatkan, dan konduktor bagian dalam harus menggunakan foil logam dengan area yang luas. Terlebih lagi, lebar ground line harus ditingkatkan dengan baik karena ground line dengan area yang luas mampu meningkatkan kemampuan anti-interferensi dan membuang kapasitas panas.

c. Perakitan Komponen dan Tata Letak PCB

Tata letak komponen sangat penting untuk kinerja termal PCB, terutama yang ditempatkan secara vertikal. Arah perakitan komponen harus sesuai dengan karakteristik aliran pendingin untuk menyediakan pendingin dengan resistansi paling kecil. Aturan yang berlaku untuk komponen dalam hal perakitan dan tata letak meliputi:

1). Untuk produk dengan metode pendinginan udara konveksi bebas sebaiknya disusun IC atau komponen lain secara memanjang seperti contoh pada Gambar 2 di bawah ini. Untuk produk dengan metode pendinginan udara paksa, sebaiknya susunan IC atau komponen lain dalam susunan memanjang seperti contoh pada Gambar 3 di bawah ini.

2). Komponen pada PCB yang sama harus diklasifikasikan dan ditempatkan sesuai dengan produktivitas panas dan tingkat pembuangan panasnya. Komponen dengan produktivitas panas rendah atau tahan panas rendah (transistor sinyal kecil, IC skala kecil, kapasitor elektrolitik, dll.) harus ditempatkan di hulu (pintu masuk) sedangkan komponen dengan produktivitas panas tinggi atau tahan panas tinggi (transistor frekuensi, skala hiper IC, dll.) harus ditempatkan di hilir. Di pinggiran penguat sinyal kecil harus ditempatkan komponen dengan penyimpangan suhu kecil dan kapasitor medium cair harus jauh dari sumber panas.
3). Pada arah horizontal, komponen dengan frekuensi tinggi harus diatur berdekatan dengan tepi PCB untuk meminimalkan jalur transmisi panas. Pada arah vertikal, komponen dengan frekuensi tinggi harus diletakkan dekat dengan bagian atas PCB untuk mengurangi pengaruhnya terhadap suhu komponen lain.
4). Komponen yang sensitif terhadap suhu harus diatur pada area dengan suhu terendah seperti bagian bawah suatu produk. Mereka tidak boleh ditempatkan tepat di atas komponen yang menghasilkan panas dan harus ditempatkan jauh dari komponen yang menghasilkan panas atau diisolasi darinya.
5). Komponen dengan konsumsi daya paling besar dan pembangkit panas harus diatur berdekatan dengan tempat terbaik untuk pembuangan panas. Jangan pernah mengatur komponen dengan suhu tinggi di sudut atau tepi kecuali radiator diatur di sekelilingnya. Saat mengatur resistor daya, komponen yang relatif besar harus diambil dan ruang pembuangan panas yang cukup harus ditinggalkan untuk mereka dalam proses tata letak PCB.
6). Daya harus didistribusikan secara merata pada PCB untuk menjaga keseimbangan dan kesesuaian dan menghindari konsentrasi titik panas. Sulit untuk mencapai keseragaman yang ketat tetapi area dengan daya yang sangat tinggi harus dihindari jika titik yang terlalu panas akan merusak operasi normal seluruh sirkuit.
7). Dalam proses desain PCB, jalur aliran udara harus dipertimbangkan sepenuhnya dan komponen harus diatur secara wajar. Udara cenderung mengalir menuju tempat dengan hambatan kecil sehingga ruang udara yang relatif besar harus dihindari saat menyusun komponen pada PCB.
8). Teknologi perakitan termal harus diterapkan pada papan sirkuit untuk mencapai efek transmisi panas yang relatif baik. Lebih dari setengah panas yang dihasilkan oleh komponen seperti IC dan mikroprosesor ditransmisikan ke PCB melalui kabelnya sendiri yang lubang perakitannya harus menggunakan lubang pelapisan logam. Komponen ini juga dapat langsung dipasang pada stick atau papan konduksi termal untuk mengurangi hambatan termal yang disebabkan oleh komponen.
9). Resistansi termal harus dikurangi sebanyak mungkin pada sambungan antara komponen dengan pembuangan panas tinggi dan PCB. Untuk memenuhi persyaratan atribut panas, beberapa bahan konduksi panas dapat digunakan di bawah chip dan pembuangan panas komponen di area kontak harus dipertahankan.
10). Pin komponen harus dipersingkat dalam sambungan komponen dan PCB. Saat memilih komponen dengan konsumsi daya tinggi, konduktivitas bahan timbal harus dipertimbangkan. Jika memungkinkan, pilih komponen yang ujungnya memiliki penampang lebih besar dan memiliki pin paling banyak.

d. Persyaratan Lainnya
1). Paket Komponen:jenis paket komponen dan laju konduksi panas harus dipertimbangkan dalam desain termal PCB. Jalur konduksi panas dapat disediakan antara substrat dan paket komponen dan pemutusan udara harus dihindari pada jalur konduksi panas.
2). Metode Teknik:suhu tinggi lokal dapat disebabkan di area dengan komponen di kedua sisi papan. Untuk mengubah kondisi pembuangan panas, beberapa tembaga halus dapat ditambahkan dalam pasta solder sehingga titik solder akan naik ke ketinggian tertentu di bawah komponen. Ruang udara ditingkatkan antara komponen dan PCB sehingga konveksi termal dapat ditingkatkan.
3). Lubang Pembuangan Panas:beberapa lubang pembuangan panas dan lubang buta dapat diatur pada PCB sehingga area pembuangan panas dapat ditingkatkan secara efektif, resistansi termal dapat dikurangi, dan kepadatan daya PCB dapat ditingkatkan.

Analisis Termal

Berdasarkan komputasi perpindahan panas, analisis termal yang metode komputasi numeriknya terutama meliputi metode beda hingga, metode elemen hingga dan metode elemen batas, mengacu pada proses penyederhanaan modul, pembuatan modul matematika, penyelesaian persamaan non-linier, pembuatan dan penyesuaian prosedur analitis dan perhitungan, pengukuran, dan pengujian parameter termal.

Sebagai aspek mendasar dari desain termal, analisis termal adalah metode penting untuk mengevaluasi pentingnya desain termal. Analisis termal PCB mengacu pada proses pembuatan modul termal komponen dan mengatur parameter kontrol simulasi sesuai dengan struktur dan bahan baku PCB, jenis paket komponen dan lingkungan pengoperasian PCB untuk memperkirakan nilai perilaku termal PCB. Analisis termal harus dilakukan pada fase konsep sebelum tata letak dan di seluruh proses desain PCB.

Nilai suhu komponen, suhu papan, dan suhu aliran udara dapat diperoleh dari analisis termal, menampilkan atribut termal PCB dalam bentuk gambar berwarna, grafik visual isoterm suhu, atau data spesifik.

Berdasarkan hasil analisis termal, masalah termal PCB dapat ditemukan dengan cepat dan tindakan tepat waktu dapat diambil dengan benar dan area padat suhu tinggi dapat dihilangkan, yang akan menentukan jalur konduksi panas, mengoptimalkan posisi komponen utama, bentuknya radiator dan ukuran untuk memanfaatkan sepenuhnya laju pembuangan panas, meningkatkan efisiensi transmisi panas lubang pembuangan panas dan radiator, serta menentukan ruang antara papan dan komponen pada papan.

PCCBart memiliki Pengalaman yang Kaya dalam Memproduksi PCB dengan Fitur Canggih

Sejak didirikan pada tahun 2005, PCBCart telah memproduksi papan sirkuit untuk klien dari 80+ negara. PCB buatan kami banyak digunakan di hampir semua industri. Anda dapat menghubungi kami untuk mendiskusikan proyek PCB kustom Anda di sini.

Sumber Daya Bermanfaat
• Pertimbangan Desain Termal PCB
• Desain Disipasi Termal Internal PCB berdasarkan Model Termal
• PCB Inti Logam Solusi Ideal untuk Masalah Termal pada PCB dan PCBA
• Bagaimana untuk Mengevaluasi Produsen PCB atau Perakit PCB
• Layanan Fabrikasi PCB Fitur Lengkap dari PCBCart
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCCBart