Тепловое проектирование и испытания: решения для аномального нагрева PCBA

Аномальное нагревание в PCBA (сборка печатных плат) является критической проблемой, которая может серьезно повлиять напроизводительность, надежность и срок службыЭффективностьтепловая конструкция и строгое испытаниенеобходимы для решения и смягчения этих проблем, связанных с теплом.

Понимание ненормального нагрева PCBA

Чрезмерное нагревание на PCBA обычно вызвано несколькими факторами:

• Высокое энергопотребление:Компоненты (например, процессоры, графические процессоры, силовые интерфейсы, светодиоды) генерируют тепло пропорционально мощности, которую они рассеивают.
• Неэффективная компоновка компонента:Плохое расположение может привести к локализации горячих точек или нарушить поток воздуха.
• Недостаточные пути рассеивания тепла:Недостаточная медь в следах ПКБ, отсутствие тепловых каналов или плохие тепловые интерфейсы с теплоотводами.
• Недостаточные механизмы охлаждения:Отсутствие теплоотводов, вентиляторов или надлежащей вентиляции помещения.
• Факторы окружающей среды:Высокая температура окружающей среды может усугубить проблемы с отоплением.

Тепловая конструкция: предотвращение тепла до его возникновения

Эффективное тепловое проектирование заключается в внедрении управления теплом в PCBA с нуля.

1. Выбор компонента:

   • Приоритетыэнергоэффективные компонентыс более низким тихим током и более высокой эффективностью.
   • Выберите компоненты ссоответствующее тепловое сопротивлениедля их ожидаемого расхода энергии.

2. Оптимизация макетов печатных плат:

   • Стратегическое размещение компонента:Размещать высокопроизводительные компоненты (например, силовые интегральные интегралы, процессоры, регуляторы напряжения) вдали от теплочувствительных компонентов (например, датчики, точные аналоговые схемы, электролитические конденсаторы).
   • Тепловые пути:Incorporate a grid of thermal vias (small holes filled with copper) under power components to conduct heat efficiently from the component pad through to internal copper layers or to the other side of the board for heat sinking.
   • Медный полив/планы:Используйте большие медные литья или специальные наземные/мощные самолеты в качестветеплораспределяющие слоиЧем больше меди, тем лучше теплопроводность.
   • Размер следа:Убедитесь, что линии питания достаточно широкие, чтобы нести требуемый ток без чрезмерного сопротивления нагрева (Я...2Rпотери).

3. Теплоотводы и вентиляторы:

   • Теплоотводы:Подключайте теплоотводы непосредственно к высокомощным компонентам, которые увеличивают площадь поверхности для конвекции тепла в окружающий воздух.Правильный тепловой интерфейсный материал (TIM) между компонентом и теплоотводом имеет решающее значение.
   • Фанаты:Для повышения рассеивания энергии активное охлаждение с помощью вентиляторов может значительно увеличить поток воздуха над теплоотводами и PCBA, способствуя удалению тепла.и энергопотребление.

4. Конструкция корпуса:

   • Вентиляция:Проектировать корпус с достаточными вентиляционными отверстиями и стратегически расположенными отверстиями, чтобы обеспечить естественную конвекцию (эффект дымохода) или принудительный поток воздуха из вентиляторов.
   • Выбор материала:Металлические корпуса могут выступать в качестве дополнительных теплоотводов, рассеивая тепло через их поверхности.

5. Тепловая симуляция:

   • ИспользоватьИнструменты компьютерной инженерии (CAE)ипрограммное обеспечение для тепловой моделирования(например, ANSYS, Mentor Graphics FloTHERM, COMSOL) на ранней стадии проектирования.
   • Цель:Для прогнозирования распределения температуры, выявления потенциальных горячих точек и оценки эффективности различных решений охлаждения до физического прототипирования, экономия времени и затрат.

Тепловые испытания: проверка конструкции

После того, как PCBA будет прототипирован, необходимо провести тщательное тепловое испытание для проверки конструкции и подтверждения того, что она работает в пределах безопасных температурных пределов в различных условиях.

1. Тепловая камера/инфракрасная термография:

   • Цель:Визуально определить и отобразить распределение температуры по поверхности PCBA.
   • Метод:Инфракрасная камера получает тепловые изображения, показывая горячие точки и температурные градиенты в режиме реального времени.

2. Измерение термопарой/датчиком температуры:

   • Цель:Для получения точных показаний температуры в определенных точках на компонентах или ПКБ.
   • Метод:К ключевым точкам интереса прикреплены крошечные термопары или датчики RTD (отражатели температуры сопротивления).особенно при функциональной эксплуатации и стрессовых испытаниях.

3. Палаты по охране окружающей среды:

   • Цель:Испытать тепловую производительность PCBA в различных контролируемых условиях окружающей среды.
   • Метод:PCBA помещается вТемпературная камера(иликамера теплового удараЭто позволяет проверить производительность и выявить сбои, вызванные тепловым напряжением.

4. Испытание старения (испытание сгорания) с контролем температуры:

   • Цель:Для работы ПКБА под постоянным напряжением (включая повышенную температуру) в течение длительного периода, чтобы выявить "ранние сбои" и обеспечить долгосрочную надежность.
   • Метод:PCBA обычно работают впечь сгоранияили камеры, часто при более высоких, чем нормальные, эксплуатационных температурах, контролируя при этом их функциональность и температуру ключевых компонентов.

5. Измерение воздушного потока и давления:

   • Цель:Для конструкций, включающих активное охлаждение (вентыляторы), обеспечить адекватный воздушный поток и падение давления в помещении.
   • Метод:Для характеристики эффективности охлаждения используются анемометры (скорости воздушного потока) и датчики давления.

Интегрируя принципы проактивного теплового проектирования с комплексным тестом, производители могут эффективно бороться с аномальным нагреванием PCBA, что приводит к более надежному, надежному,и высокопроизводительных электронных продуктов.