Desain Termal PCB Ahli: Tips Praktis untuk Manajemen Panas

Dengan komponen daya yang hadir dalam kemasan permukaan permukaan yang semakin kecil, penting untuk mencari pendekatan yang koheren untuk mengatasi kebutuhan dissipasi panas dari komponen ini dalam desain PCB. Sementara pengembangan analisis matematika yang tepat dari karakteristik termal desain PCB dapat menjadi proses yang kompleks, mungkin untuk menerapkan beberapa aturan sederhana untuk meningkatkan konduksi termal desain Anda. Akhirnya, dengan benar mengontrol dissipasi panas dalam desain Anda akan memungkinkan Anda untuk menghasilkan desain PCB yang lebih terpercaya dan hemat. Yang berikut adalah diskusi singkat tentang model dissipasi panas standar dan kemudian beberapa aturan umum untuk menangani dissipasi panas dalam desain Anda.

Pertama penting untuk mendefinisikan terminologi yang akan digunakan selama sisa entri ini. Gambar berikut menyajikan berbagai komponen dari power IC yang harus kita pertimbangkan saat membahas manajemen termal. Kita akan membahas suhu Junction, Top dan Case dari komponen dan resistansi termal mereka ke lingkungan sekitar selama artikel ini.

Dengan istilah-istilah ini di tangan, kita akan secara singkat melihat model standar yang digunakan untuk mensimulasikan dissipasi panas sebuah komponen. Resistansi termal biasanya dimodelkan sebagai jaringan resistor. Model standar untuk sebuah komponen ditampilkan dalam gambar berikut:

Dalam gambar yang disajikan T_J didefinisikan sebagai suhu junction (bagian kerja internal komponen), T_T adalah suhu "top" dari paket (biasanya enclosure plastik dari komponen), T_C adalah suhu "case" (ini adalah suhu dari pad yang sangat konduktif termal dari komponen dan PCB yang terpasang) dan T_A adalah suhu lingkungan sekitar. Tujuan desainer elektronik adalah untuk menghasilkan resistansi termal yang mungkin terendah antara junction dan lingkungan sekitar. Dengan pengecualian dari θ_CA, resistansi termal dari sistem (θ_JT, θ_TA dan θ_JC) didefinisikan oleh properti komponen dan dapat diambil dari data sheet untuk komponen tersebut. Sebagai desainer PCB kami terutama memiliki pengaruh atas nilai θ_CA, yang tergantung pada desain PCB kami. Seperti itu, tantangan utama bagi desainer adalah pengurangan resistansi termal dari case IC ke lingkungan sekitar dengan mengurangi resistansi ini. Seberapa baik kita dapat menurunkan resistansi termal ini (θ_CA) akan sebagian besar menentukan selisih suhu (atau kekurangannya) yang akan berkembang antara lingkungan sekitar dan junction dari komponen.

Layak untuk dicatat bahwa jalur lain untuk konduksi termal adalah case plastik (atau "top") dari komponen. Karena kemasan plastik sebagian besar komponen daya tidak memberikan jalur termal yang baik ke lingkungan sekitar efisiensi dissipasi panas desain lebih banyak bergantung pada kemampuan desain untuk membuang energi termal ke lingkungan sekitar melalui case-nya. Pengecualiannya adalah ketika power IC yang bersangkutan dirancang dengan thermal pad yang terletak di atas komponen. Dalam hal ini, IC dirancang untuk heat sink yang dipasang langsung di atas IC dan dissipasi panas komponen melalui "top" menjadi faktor yang jauh lebih penting dalam desain.

Pendekatan standar untuk mentransfer panas dari komponen daya adalah melalui koneksi termal komponen daya ke copper plane yang berdekatan dengan thermal vias. Ini biasanya dicapai dengan menempatkan sejumlah via dalam foot print dari power IC. Vias ini memberikan koneksi termal ke lapisan logam di bawah IC, yang kemudian mengantarkan panas dari komponen.

Secara tambahan, semakin banyak copper plane yang terhubung ke power IC melalui thermal vias, semakin tinggi efisiensi dissipasi panas dari PCB. misalnya menggunakan desain empat lapis dibandingkan desain dua lapis dapat meningkatkan kapasitas dissipasi daya PCB hingga 30% saat membandingkan area yang sama dari desain tersebut.

Aturan desain berikut disediakan sebagai titik awal yang baik untuk mempertimbangkan termal desain Anda.

a. Untuk membuang panas 1 watt daya aturan yang baik adalah papan Anda perlu memiliki area 15.3 cm² atau 2.4 in² per watt yang dibuang panas untuk kenaikan suhu papan 40°C. Jika papan tunduk pada aliran udara persyaratan ini dapat dipotong menjadi separuh (7.7 cm² atau 1.2 in² per watt). Nilai-nilai ini mengasumsikan bahwa komponen secara termal terhubung ke copper plane yang menyebar hingga tepi papan dan papan diposisikan sehingga udara dapat mengalir bebas di sekitar kedua sisi papan. Jika persyaratan densitas daya ini terlalu membatasi untuk desain Anda, pemasangan heat sink eksternal mungkin diperlukan. Juga, kenaikan suhu 40°C adalah titik awal yang baik untuk dipertimbangkan saat mengontrol suhu papan sirkuit Anda.

b. Kapan pun ada lebih dari satu komponen daya yang ditempatkan pada papan, praktik terbaik adalah menempatkan komponen-komponen tersebut sedemikian rupa sehingga PCB Anda dipanaskan merata oleh komponen-komponen ini. Perbedaan suhu yang besar di sepanjang panjang desain PCB Anda tidak memungkinkan PCB Anda untuk secara optimal mentransfer energi termal dari komponen daya yang dipasang. Jika tersedia bagi desainer, citra termal dapat memungkinkan pemeriksaan empiris dari penempatan komponen Anda setelah revisi desain selesai.

c. Semakin banyak via yang dapat Anda tempatkan di bawah komponen semakin baik PCB Anda akan mentransfer energi termal ke copper plane yang terhubung. Array via untuk meningkatkan jumlah yang berkontak dengan pad daya dari paket Anda (pad konduktif termal besar dari komponen).

d. Dalam desain yang membuang panas daya lebih tinggi Anda akan perlu menggunakan bobot logam yang lebih tinggi. 1oz logam disarankan sebagai titik awal untuk desain daya.

e. Saat menggunakan copper pour untuk membuang energi termal dari komponen, penting bahwa pour tidak terganggu oleh jejak yang berjalan tegak lurus terhadap jalur termal dari komponen daya.

f. Jika heat sink perlu digunakan untuk menjaga suhu sistem dalam toleransi layak untuk dicatat bahwa heat sink biasanya akan jauh lebih efektif jika ditempatkan sedemikian rupa sehingga secara termal terhubung ke case dari komponen. Ini biasanya berarti memasang heat sink di sisi seberang papan dari komponen permukaan. Sementara mungkin menggoda untuk menempatkan heat sink langsung di atas komponen, resistansi termal dari case plastik komponen akan membuat heat sink tidak efektif. Seperti yang disebutkan di atas, pengecualian untuk aturan ini adalah paket yang secara eksplisit dirancang untuk memiliki heat sink yang dipasang pada "tops" mereka.

Dalam rangkuman, kinerja termal desain sangat penting untuk dipertimbangkan kapan pun Anda bekerja dengan komponen daya. Menggunakan aturan desain yang disajikan dalam artikel ini awal dalam proses desain PCB Anda akan memungkinkan Anda untuk mendapatkan awal yang baik dalam mengontrol suhu PCB Anda dan memungkinkan Anda untuk menghindari redesign yang drastis nanti dalam proses pengembangan.

Sumber yang Membantu
• Prinsip Terlengkap Desain Termal untuk PCB
• Desain Dissipasi Panas Internal PCB berdasarkan Model Termal
• Tips Desain Termal untuk PCB yang Dikontrol oleh Sistem FPGA
• Desain PCB Daya Tinggi dalam Lingkungan Suhu Tinggi
• PCB Metal Core Solusi Ideal untuk Masalah Termal dalam PCB dan PCBA
• Layanan Manufaktur PCB Lengkap dari PCBCart - Opsi Nilai Tambah Berbagai
• Layanan Assembly PCB Canggih dari PCBCart - Mulai dari 1 potong