Panduan Lengkap Manajemen Suhu PCB

Lompat ke:

• Cara Mengukur Suhu PCB
• Berapa Banyak Panas yang Dapat Ditahan PCB?
• Penyebab Umum Panas Tinggi dalam PCB
• Cara Mencegah Suhu Tinggi dalam PCB
• Hubungi MCL untuk Semua Kebutuhan PCB Anda

 

Suhu adalah elemen penting dari keamanan, keandalan, dan performa dalam papan sirkuit cetak (PCB). Suhu tinggi dapat dengan cepat menyebabkan kegagalan dan kerusakan permanen.

Beberapa keadaan dapat memperkenalkan panas ke dalam operasi PCB. Komponen yang dipasang pada PCB mungkin menghasilkan panas berlebih. Elemen eksternal — misalnya, komponen lain dalam sistem kompleks seperti sistem penerbangan luar angkasa atau aplikasi medis — mungkin menghasilkan panas berlebih. Panas dapat menumpuk dalam PCB karena ventilasi yang tidak memadai. Atau selama rangkaian PCB, panas yang dihasilkan selama bor dan solder mungkin menyebabkan stres termal yang berlebihan pada komponen dan menghasilkan papan cacat.

Berkat apa pun alasannya, insinyur memerlukan cara untuk mengelola panas untuk memastikan PCB dapat bertahan dengan stres termal tinggi yang pasti akan mereka hadapi. Teknik penyerapan panas PCB yang efektif dan cara mencegah kenaikan suhu PCB apa? Kami akan menjawab pertanyaan ini dengan lebih detail di bawah ini.

Mengapa Memantau Suhu PCB Penting?

Memantau suhu PCB sangat penting karena suhu tinggi dapat mengubah struktur PCB dan mengurangi performanya atau menyebabkannya hancur.

Pengukuran suhu PCB juga penting karena masalah yang timbul dari suhu tinggi tidak tetap terlokalisasi. Mereka dapat dengan cepat menyebar ke komponen lain dari PCB dan menyebabkan rangkaian kegagalan dan kerusakan.

Panas berlebih dalam PCB dapat menyebabkan jenis kerusakan berikut:

• Kehilangan integritas struktural: Panas berlebih dapat merusak integritas PCB. Lapisan PCB sangat sensitif terhadap fluktuasi suhu, dan ketika mereka terlalu panas atau dingin, mereka mengembang dan menyusut. Panas berlebih dapat menyebabkan kerongkongan dalam panjang, lebar, dan ketebalan berbagai lapisan PCB.
• Gangguan garis sirkuit: Panas berlebih dapat mengakibatkan kerusakan sirkuit juga. Garis sirkuit mengembang dan berubah bentuk saat berlebihan panas. Setelah ini terjadi, sirkuit menjadi rentan terhadap pergeseran frekuensi, distorsi, dan hilang langsung. Impedansi konduktor mereka juga dapat bergeser dari nilai standar 50 ohm. Sirkuit gelombang milimeter dan sirkuit microwave, khususnya, memiliki komponen yang kecil dan halus yang dapat dengan mudah mengalami kerusikaan jika mereka mengembang dan merubah bentuk pada suhu tinggi.
• Tingkat ekspansi bahan yang tidak kompatibel: Efek merugikan yang disebutkan di atas diperburuk oleh fakta bahwa bahan berbeda berekspansi dengan laju yang berbeda. PCB memiliki dua jenis dasar lapisan: lapisan dielektrik dan lapisan logam konduktif. Karena mereka mengandung bahan yang berbeda, mereka berekspansi berbeda dalam respons terhadap panas. Jadi PCB yang terlalu panas mungkin mengalami kerusikaan lebih lanjut saat berbagai jenis lapisan terlepas satu sama lain.
• Oksidasi: Oksidasi komponen PCB juga merupakan kekhawatiran pada suhu tinggi. Bahan dielektrik yang terbuka dalam PCB tidak memiliki perlindungan terhadap oksidasi jika tidak memiliki coating laminasi pelindung. Dalam hal itu, bahan dapat berkarat setelah paparan panas tinggi. Hilangnya transmission lines dan faktor disipasi yang lebih tinggi seringkali merupakan hasilnya.

 

Cara Mengukur Suhu PCB

Sebelum Anda mengukur suhu PCB, penting untuk menentukan sumber panas utama dalam PCB — biasanya mikrokontroler atau mikroprosesor — serta untuk menemukan sensor suhu.

Dibutuhkan juga untuk menemukan pin ground (GND), yang biasanya terlekat pada substrat dari sumber panas. Persentase besar dari panas yang dihasilkan dalam Bergerak ke sensor suhu melalui pin GND ini. Karena pin terhubung ke substrat, mereka memiliki resistensi termal terendah dari setiap komponen PCB antara sensor suhu dan sumber panas.

Setelah Anda memiliki informasi ini, pemantauan suhu dapat dimulai. Pengukuran suhu PCB biasanya melibatkan tiga langkah berbeda:

1. Tempatkan ground plane antara sensor suhu dan sumber panas.
2. Hubungkan pin GND setiap sensor suhu ke ground plane sumber panas.
3. Pastikan sensor suhu dan sumber panas tetap berdekatan satu sama lain pada PCB.

Mengikuti langkah-langkah ini akan memungkinkan Anda untuk mengukur suhu sumber panas utama — dan oleh karena itu PCB secara keseluruhan — dengan akurasi dan presisi.

Suhu Maksimum yang Dapat Ditahan PCB?

Berapa banyak panas yang dapat ditahan PCB tergantung pada bahan yang menyusunnya. Bahan dengan properti termal optimal menyediakan resistensi yang terpercaya terhadap efek panas tinggi, sedangkan beberapa bahan bertahan kurang terpercaya terhadap suhu tinggi. Metrik yang dikenal sebagai glass transition temperature (TG) membantu mengindikasikan resistensi ini. Sebagai contoh, FR-4 memiliki TG sekitar 135 derajat Celsius.

PCB biasanya didefinisikan sebagai PCB suhu tinggi jika dapat menahan batas suhu 150 derajat Celsius. Beberapa PCB suhu tinggi mungkin dapat menahan panas yang lebih tinggi, tetapi papan yang diproduksi dari bahan dengan resistensi panas yang lebih rendah hanya akan dapat beroperasi dengan aman pada suhu yang jauh lebih rendah. PCB suhu tinggi semakin umum dalam aplikasi seperti aplikasi otomotif dan industri di mana suhu ekstrem adalah bagian dari lingkungan kerja.

Penyebab Umum Panas Tinggi dalam PCB

1. Kerusakan Komponen yang Menyebabkan Disipasi

Salah satu penyebab umum panas tinggi dalam PCB adalah bahwa satu komponen dalam PCB mengalami kerusakan dan disipasi, gagal menghasilkan jumlah daya yang biasanya dihasilkan. Ketika ini terjadi, komponen di sekitarnya harus menghasilkan lebih banyak daya untuk mengkompensasi. Menghasilkan lebih banyak daya mengarah pada risiko panas berlebih.

2. Interferensi Through-Hole

Komponen through-hole dan komponen heat sink adalah komponen PCB yang menyediakan daya. Mereka menghasilkan panas dan menyebarkannya ke udara. Jika heat sink disolder dengan salah, atau jika komponen lain dari PCB mengganggu through-hole, komponen lain akan menghasilkan lebih banyak panas dari biasanya untuk mengkompensasi. Skenario ini juga mengarah pada risiko panas berlebih.

3. Jarak Perangkat Surface-Mount

Perangkat surface-mount (SMDs) terhubung ke PCB dengan cara yang sama seperti komponen through-hole. Mereka memungkinkan aliran arus yang lebih halus melalui komponen through-hole dan heat sink. Namun, komponen through-hole dan SMDs harus diposisikan pada jarak yang tepat satu sama lain. Jika mereka terlalu jauh, arus akan memiliki jarak yang lebih jauh untuk ditempuh. Waktu tambahan yang dibutuhkan arus untuk berpindah dapat menyebabkan komponen penerima tetap dingin terlalu lama. Ketika itu terjadi, komponen lain mungkin berlebihan panas untuk mengkompensasi.

4. Sirkuit Frekuensi Tinggi

Suhu tinggi kemungkinan besar terjadi dalam aplikasi yang menggunakan sirkuit frekuensi tinggi. Alasannya adalah bahwa generasi lebih banyak daya secara alami menghasilkan lebih banyak panas.

Sirkuit radio-frekuensi, misalnya, mewakili sektor yang tumbuh cepat dalam engineering PCB. Sirkuit ini sangat kompleks tetapi memiliki banyak aplikasi berguna, dari keamanan nirkabel dalam produk medis dan industri hingga ponsel pintar. Sirkuit frekuensi tinggi ini cenderung menghasilkan jumlah panas yang luar biasa, jadi teknik desain khusus diperlukan untuk jenis PCB ini.

5. Solder Bebas Timbal

Secara keseluruhan, industri PCB bergerak menuju pembatasan zat berbahaya (RoHS). PCB RoHS menggunakan solder bebas timbal, dan solder bebas timbal memerlukan suhu tinggi sehingga dapat mengalir dengan bebas.

Cara Mencegah Suhu Tinggi dalam PCB

Seperti yang telah kita lihat, mencegah kenaikan suhu PCB sangat penting. Namun bagaimana Anda dapat mengurangi panas dalam PCB? Insinyur dapat menggunakan beberapa teknik penyerapan panas PCB yang berbeda:

1. Heat Sink

PCB pada dasarnya adalah pabrik yang menghasilkan panas karena semua komponen yang menghasilkan panas yang terkandung di dalamnya. PCB memerlukan cara untuk menyebarkan semua energi termal tersebut. Secara umum, jawabannya melibatkan heat sink. Heat sink menyebarkan panas dengan aman sehingga tidak akan menumpuk dan merusak papan.

2. Kipas Angin

Sebagian besar perangkat elektronik memiliki kipas angin untuk pendingin, dan sebagian dari tujuan kipas angin tersebut adalah untuk membantu pendinginkan PCB. Kipas pendingin menyebarkan panas keluar dari perangkat elektronik sambil membiarkan udara dingin masuk, membantu mencegah panas berlebih dan memperpanjang umur serta performa PCB.

3. Mempertimbangkan Bahan dan Komponen

Memilih bahan tahan panas adalah salah satu strategi paling efektif untuk mengurangi panas dalam PCB. Sebagai contoh, PCB tembaga tebal yang dibuat dengan plat tembaga tebal adalah pilihan yang bagus karena ketahanan dan kemampuan untuk menahan suhu tinggi. Mereka menangani arus yang lebih tinggi, menahan suhu tinggi untuk waktu yang lebih lama dan menyediakan titik koneksi yang lebih kuat dibandingkan PCB standar. Untuk alasan ini, mereka sangat berguna dalam aplikasi otomotif, penerbangan, mesin berat, dan konverter daya serta lingkungan tugas berat lainnya.

Banyak PCB mengandung FR-4, yang, meskipun berguna sebagai pelangkar api, tidak dapat menahan suhu yang sangat tinggi. Mengetahui bahwa PCB mengandung FR-4 dalam konstruksinya dapat memungkinkan insinyur untuk merancang sirkuit yang tidak akan menghasilkan lebih banyak panas daripada yang dapat ditahan bahan.

Bahan seperti bahan RF — yang digunakan dalam sirkuit radio-frekuensi — dan poliamid juga sensitif terhadap suhu tinggi. Polytetrafluoroethylene (PTFE) sangat umum dalam papan RF, tetapi dapat bergaris di bawah panas bor, dan garisnya sangat sulit untuk dihapus. Bahan-bahan ini tidak seumum FR-4 dalam PCB, tetapi insinyur harus berhati-hati dalam desain mereka jika mereka bekerja dengan bahan-bahan ini juga. Penggunaan laminate suhu tinggi dalam situasi ini sangat direkomendasikan.

4. Meningkatkan Ketebalan dan Lebar Plat

Dalam PCB, plat yang lebih tebal cenderung menyebarkan panas dengan kurang efektif dibandingkan yang lebih tipis. Mereka membutuhkan lebih banyak daya untuk mencapai suhu tinggi, jadi dengan engineering yang tepat, mereka dapat membantu mengurangi risiko panas berlebih, kerongkongan, dan gangguan.

5. Menerapkan Laminate

Menerapkan laminate adalah cara lain untuk mencegah kerusakan dari suhu tinggi. Laminate PCB suhu tinggi dapat mencegah panas berlebih dengan menawarkan perlindungan panas untuk komponen PCB.

Laminate suhu tinggi harus memiliki properti pelindung berikut:

• Glass transition temperature (TG): Glass transition temperature merujuk pada suhu di mana polimer berubah termodinamis dari rigid menjadi lunak. PCB high-TG menawarkan perlindungan yang lebih unggul.
• Waktu hingga delaminasi: Panas tinggi dapat delaminasi laminate PCB seiring waktu. Laminate terbaik akan membutuhkan waktu yang lama untuk delaminasi pada suhu tinggi.
• Assorpsi kelembapan: Laminate PCB harus memiliki kemampuan assorpsi kelembapan yang dapat diandalkan dan melindungi. Jika PCB akan beroperasi dalam lingkungan yang dikontrol udara seperti laboratorium, assorpsi kelembapan mungkin tidak menjadi prioritas tinggi. Namun jika PCB akan beroperasi dalam lingkungan di mana mungkin terpapar elemen, kemampuan assorpsi kelembapan yang memadai sangat penting.
• Decomposition temperature (TD): Decomposition temperature merujuk pada suhu di mana 5% massa laminate hilang karena dekomposisi. Suhu dekomposisi yang tinggi menawarkan perlindungan yang lebih unggul.
• Ekspansi Z-axis: Ekspansi Z-axis merujuk pada ekspansi bahan di sepanjang z-axis sebagai persentase dari koefisien ekspansi termal. Ekspansi z-axis yang lebih rendah juga menawarkan perlindungan yang lebih unggul.

 

6. Menyelaraskan CTEs

Koefisien ekspansi termal (CTE) mengukur seberapa banyak bahan berekspansi saat terpapar suhu tinggi. Dalam desain PCB, idealnya lapisan dielektrik memiliki CTE yang mirip dengan lapisan tembaga. Dengan cara ini, jika lapisan berekspansi, mereka melakukannya dengan cara yang seragam yang mengarah pada kerusikaan minimal.

Dalam stack multilayer, jika CTE tidak selaras, lapisan akan berekspansi dengan laju yang sangat berbeda, yang dapat menyebabkan kerongkongan dan gangguan. Jika ekspansi yang tidak merata terjadi selama rangkaian PCB, kesesetaraan ini juga dapat menyebabkan masalah serius untuk bor.

Memilih bahan PCB dengan CTE yang lebih rendah membantu mencegah panas berlebih. Sebagai contoh, PTFE yang diisi dengan kain kaca atau serat mikro-kaca memiliki karakteristik listrik yang luar biasa, tetapi juga memiliki CTE yang tinggi. Jadi bahan ini adalah pilihan yang buruk ketika ketahanan termal adalah prioritas utama. Di sisi lain, PTFE yang diisi dengan keramik memiliki CTE yang lebih rendah dan berperformah jauh lebih baik pada suhu tinggi, meskipun kehilangan sedikit dalam karakteristik listrik.

7. Menjaga Jarak yang Memadai

Menentukan jarak komponen pada PCB dapat menjadi proses yang sulit. Ketika komponen papan terlalu dekat satu sama lain, crosstalk mungkin terjadi — yaitu, berbagai komponen mungkin mulai berinteraksi satu sama lain dengan cara yang tidak diinginkan. Interaksi yang tidak diinginkan ini mengarah pada sesuatu yang dikenal sebagai skin effect. Ketika skin effect terjadi, resistensi trace meningkat, mengarah pada kerugian resistif dan menambahkan panas ke sirkuit. Skin effect khususnya umum dengan PCB frekuensi tinggi, jadi insinyur harus mengambil hati-hati tambahan dengan jarak komponen untuk mencegah papan terlalu panas.

8. Mengintegrasikan Heat Pipe dengan Benar

Heat pipe dalam PCB dapat membantu menyebarkan panas juga. Cairan dalam pipa dapat menyerap panas dan mencegahnya merusak komponen papan.

9. Memaksimalkan RTI dan MOT

Relative thermal index (RTI) dan maximum operating temperature (MOT) adalah dua ukuran relevan yang harus diperhatikan oleh insinyur dalam desain PCB.

RTI menunjukkan suhu tertinggi yang dapat ditahan bahan tanpa mengalami perubahan pada propertinya atau penurunan performanya. MOT merujuk pada suhu tertinggi yang dapat ditahan konfigurasi papan sirkuit tertentu tanpa mengalami perubahan pada propertinya atau penurunan performanya. Insinyur harus menjaga kedua ukuran ini dalam pikiran dalam desain PCB dan memilih bahan serta komponen sirkuit dengan resistensi panas yang kuat berdasarkan metrik ini.

Hubungi MCL untuk Semua Kebutuhan PCB Anda

Saat Anda membutuhkan PCB yang dirancang untuk kontrol suhu, buat Millenium Circuits Limited penyedia terpercaya Anda untuk solusi engineering. Laminate PCB suhu tinggi kami membantu mengurangi risiko panas berlebih dalam PCB, dan PCB tembaga tebal serta PCB high-TG kami menawarkan kemampuan yang lebih unggul untuk menahan suhu tinggi. Kami juga dapat membantu memfasilitasi desain PCB kustom sesuai spesifikasi Anda.

Hubungi kami hari ini untuk penawaran atau untuk mempelajari lebih lanjut.

 

Request a Free Quote