Решение проблемы перегрева: Методы рассеивания тепла на печатной плате

Почему перегрев печатной платы является основной проблемой в электронике

Постоянное развитие передовой современной электроники вывело ее размеры и возможности на беспрецедентный уровень, что создает новые проблемы, такие как управление теплом для компонентов, расположенных в тесном пространстве. Перегрев печатных плат (ПП) - это не просто неудобство, это серьезная проблема, влияющая на производительность, надежность и долговечность устройств. Все разработчики и производители электроники должны знать основы терморегулирования и отточенные стратегии управления теплом, если они хотят, чтобы устройства продолжали работать в условиях экстремального перегрева. Правильное управление теплом необходимо для того, чтобы не допустить необратимых повреждений устройств.

Основы терморегулирования в печатных платах

Проще говоря, терморегулирование в печатных платах - это идеальный отвод тепла от теплогенерирующих компонентов, таких как стабилизаторы напряжения. Электронные компоненты, выполняя свои задачи, постоянно расходуют энергию на электрическое сопротивление и выделяют тепло. Как бы мало ни было тепло, оно всегда будет выделяться в результате использования энергии. Например, средние микроконтроллеры рассеивают от двух-трех милливатт энергии до пары ватт, в то время как мощные компоненты, процессоры, светодиоды и транзисторы настолько мощны, что могут выделять от десятков до сотен ватт тепла.

Печатная плата выполняет двойную функцию, в том числе теплопроводника. Однако эта функция выполняется не одинаково и во многом зависит от материалов и выбранной конструкции. Тепло, выделяемое компонентами, должно проходить через печатную плату с соответствующим распределением тепла по ее слоям и затем рассеиваться в окружающей среде. Существует два способа теплопередачи: теплопроводность от выводов, конвективная передача в окружающую жидкость или воздух, а также излучение волн, выделяющих большое количество тепла. Эффективный контроль и управление тепловой энергией направлены на повышение эффективности этой передачи тепловой энергии в компонентах, чтобы температура компонентов оставалась в пределах допустимых значений во время работы. Для коммерческих приложений этот предел составляет от 0°C до 70°C, но для высоконадежной или специализированной электроники он обычно гораздо строже.

Последствия неадекватного теплоотвода: Производительность, надежность и срок службы

Недостаточное внимание к "отводу тепла" для печатных плат может иметь многочисленные и далеко идущие негативные последствия для электронного устройства.

• Проблемы с производительностью: С повышением температуры полупроводникового прибора изменяются и его электрические характеристики. Это означает, что скорость переключения транзисторов может уменьшиться, что приведет к увеличению времени обработки и снижению производительности системы. В случае аналоговых схем повышение температуры может привести к появлению шумов и дрейфа сигналов, которые снижают целостность сигнала. Процессор, рассчитанный на работу на частоте 3 ГГц, будет испытывать снижение от 10% до 15% на каждые 10°C повышения оптимальной температуры.
• Снижение надежности: Сильный нагрев может увеличить скорость почти всех химических реакций в устройстве, что приводит к преждевременному старению и увеличению числа отказов. Исследования показывают, что при повышении температуры на 10 °C частота отказов многих электронных компонентов увеличивается в два раза. Уравнение Аррениуса лучше всего отражает связь между температурой и сроком службы компонентов; на практике такие компоненты часто выходят из строя. Электролитический конденсатор может быть рассчитан на 10 000 часов работы при температуре 85°C, но при постоянном нагреве до 105°C он может выйти из строя гораздо быстрее.
• Сокращение продолжительности жизни: Мы можем наблюдать термин "кумулятивное ухудшение", который означает снижение производительности, надежности и срока службы электронного устройства. Можно сказать, что устройства всегда имеют ограниченный срок службы. Компоненты, которые подвергаются воздействию высоких температур в течение длительного времени, имеют высокую вероятность выхода из строя. Как только это произойдет, устройство станет бесполезным. Такой сценарий не только приводит к увеличению расходов на гарантийный ремонт и снижению уровня удовлетворенности клиентов, но и является серьезной проблемой для многих отраслей, где срок службы устройства имеет решающее значение, например, для аэрокосмической, медицинской и промышленной систем управления.
• Повышенное потребление энергии: Когда устройство перегревается, оно неизменно потребляет больше энергии. С этим избыточным теплом необходимо бороться, и системам охлаждения приходится работать сверхурочно. Так происходит в большинстве перезаряжаемых устройств, питание которых зависит от батарей, поскольку управление тепловыделением напрямую влияет на срок службы батареи.
• Опасения по поводу безопасности: Если не принять активных мер, перегрев может стать опасностью, а в крайних случаях привести к тепловому удару или пожару в легковоспламеняющихся материалах.

Из вышесказанного следует, что конструкция любой печатной платы должна включать в себя эффективные методы рассеивания тепла. Такие методы должны, как минимум, гарантировать, что электронные изделия сохранят требуемую функциональность, долговечность и безопасность.

Передовые методы отвода тепла

Для решения проблемы перегрева печатных плат было разработано множество сложных, передовых методов отвода тепла, которые широко используются в процессе проектирования электроники. Эти методы можно разделить на две категории: те, которые включают в себя улучшенную теплопроводность компонентов, и те, которые включают в себя излучение и конвекцию тепла в окружающее пространство. В общем тепловом проекте обычно используется несколько методов контроля тепла одновременно.

Реализация радиаторов

Радиаторы, напротив, представляют собой пассивные устройства, работающие по более современному принципу. Радиаторы - это устройства терморегулирования, цель которых - увеличить площадь поверхности, доступной для передачи тепла окружающему воздуху. Они почти всегда изготавливаются из материалов с высокой проводимостью, таких как алюминий или медь, и имеют различные формы и размеры, обычно с ребрами для увеличения площади поверхности.

Все излучающие электронные компоненты, рассеивающие энергию, в процессе работы испытывают повышение температуры. В случае выделения тепла для получения энергии от устройства и увеличения количества энергии, рассеиваемой в окружающую среду, используется теплоотвод. Эти устройства максимально увеличивают поверхность контакта за счет использования ребристых поверхностей и поддерживают поток охлаждающего воздуха, который может проходить через радиатор принудительно или циркулировать вокруг него естественным образом. Эффективность зависит от материалов, площади поверхности, конфигурации ребер и теплового сопротивления интерфейса между компонентом и радиатором. Использование материалов для термоинтерфейса - TIM, таких как термопаста и прокладки, - обеспечивает надлежащее крепление интерфейса и уменьшает тепловое сопротивление интерфейса для правильной передачи тепла. Например, алюминиевый радиатор с большей площадью поверхности (50 см²) может пассивно охлаждать несколько ватт тепла за счет естественной конвекции, что значительно больше, чем горячая деталь без радиатора. В мощных приложениях требуются более крупные радиаторы с более тонкой структурой.

Использование тепловых диафрагм для усиления теплового потока

Тепловые каналы представляют собой плакированные сквозные отверстия, заполненные теплопроводящим материалом, чаще всего медью, который служит каналом для передачи тепла в вертикальном направлении от одного слоя печатной платы к другому. При использовании в многослойных печатных платах они играют важную роль в отводе тепла от поверхностно установленных устройств к внутренним медным плоскостям, которые затем распространяют тепло дальше по плате.

Для достижения максимальной эффективности тепловых промежутков их следует стратегически правильно располагать под компонентами, выделяющими тепло. Необходимое количество тепловых промежутков зависит от теплопроводности материала печатной платы и количества отводимого тепла. Например, плотный массив тепловых проходов, скажем, 10-20 штук диаметром 0,3 мм, может значительно снизить значение теплового сопротивления между поверхностным компонентом и внутренней медной плоскостью. Эффективная политика терморегулирования должна быть направлена на оптимизацию количества и конфигурации этих тепловых проходов.

Оптимизация медных трасс и плоскостей для теплопроводности

В структуре печатной платы медь является лучшим теплопроводником и, благодаря своей высокой теплопроводности, может быть использована в стратегических целях для увеличения скорости отвода тепла, обеспечивая наилучший отвод тепла в мощных приложениях. Помимо снижения электрического сопротивления, увеличение ширины и толщины медных дорожек, по которым протекают большие токи, улучшает как сопротивление медной дорожки, так и ее способность отводить тепло от компонентов. Кроме того, медные плоскости большой площади также обладают способностью рассеивать тепло, особенно плоскости заземления и силовые плоскости, поскольку они находятся непосредственно над печатной платой и могут нагревать составляющие плоскости на большой площади.

Резервирование целых слоев или больших участков слоев под медные плоскости в мощных приложениях может значительно облегчить управление тепловым режимом. Теплопроводность меди составляет почти 400 Вт/м-К, что намного больше, чем у обычной FR-4, которая составляет около 0,2 Вт/м-К из-за ее низкой теплопроводности. Эта разница подчеркивает необходимость использования меди для отвода тепла и должна рассматриваться как часть стратегии теплового проектирования. Например, увеличение толщины медной дорожки в два раза с одной стороны снизит тепловое сопротивление примерно на 50 %.

Технология тепловых труб и ее применение в печатных платах

Принцип работы тепловой трубы основан на передаче тепла через последовательный процесс испарения и конденсации рабочей жидкости в герметичной трубке. Тепловая труба определяется как устройство, передающее тепло с минимальными потерями температуры на значительные расстояния. В прошлом их применение было довольно ограниченным, например, для охлаждения ноутбуков, однако распространение тепловых труб, устанавливаемых в печатные платы, требующие значительной мощности, становится все более распространенным, поскольку тепловые трубы легко интегрируются и являются одной из лучших стратегий терморегулирования, доступных в современной электронике.

Активное охлаждение печатных плат (ПП) может включать в себя интеграцию тепловых трубок в ПП, непосредственное крепление к компонентам ПП или применение миниатюрных тепловых трубок. Тепловые трубы чрезвычайно эффективны при перемещении концентрированных потоков тепла из горячей точки в предназначенную для этого область, где тепло может быть рассеяно. Это стало возможным благодаря миниатюрной конструкции трубы, которая обеспечивает значительно более высокую теплопроводность, чем цельная медь.

Например, эффективная теплопроводность маленьких тепловых трубок может быть на несколько порядков выше, чем у массивной меди. Таким образом, маленькие тепловые трубки идеально подходят для любых электронных устройств с высоким уровнем концентрированного тепловыделения.

Использование охлаждающих вентиляторов для принудительной конвекции воздуха

Охлаждающие вентиляторы работают как активные устройства терморегулирования, которые динамически перемещают воздух через печатную плату и радиаторы, улучшая конвективный теплообмен. Они особенно эффективны в тех случаях, когда пассивные методы охлаждения недостаточны для поддержания температуры компонентов в приемлемых пределах, и являются одной из наиболее широко используемых стратегий управления теплом в различных устройствах в электронной промышленности.

Конфигурация вентилятора определяется объемом отводимого тепла, свободным пространством для установки вентилятора, требуемым воздушным потоком и допустимым уровнем шума. Характеристики воздушного потока и давления в различных вентиляторах отличаются: осевые вентиляторы и нагнетательные вентиляторы, каждый из которых обеспечивает различные типы воздушного потока и давления.

Радиальные вентиляторы, также известные как нагнетающие вентиляторы, часто применяются при необходимости направить воздушный поток через определенное место или через ограниченный объем, в отличие от осевые вентиляторыкоторые лучше обеспечивают общий воздушный поток через печатную плату. Например, способность радиатора рассеивать тепло может увеличиться на 50-100%, если скорость потока воздуха, проходящего над радиатором, увеличить с 1 м/с до 3 м/с.

Стратегии размещения компонентов для улучшенного терморегулирования

Стратегическое размещение компонентов на печатной плате с учетом систем охлаждения - область, требующая инноваций. Дизайнеры могут улучшить отвод тепла, вдумчиво изучив тепловые свойства различных систем, их расположение в системе и доступные методы охлаждения.

• Отдельные мощные компоненты: Компоненты, выделяющие тепло, должны располагаться на расстоянии друг от друга, чтобы избежать повышенных локальных температурных пятен и уменьшить тепловое взаимодействие.
• Ориентируйте компоненты для обеспечения воздушного потока: В системах с принудительным воздушным охлаждением компоненты следует располагать таким образом, чтобы обеспечить однонаправленное воздушное охлаждение большинства экранированных поверхностей. Примером может служить ориентация ребристых радиаторов параллельно направлению потока охлаждающего воздуха.
• Термочувствительные компоненты: Чувствительные к охлаждению компоненты следует располагать вдали от зон мощных компонентов и в охлаждаемых областях.
• Использование краев доски: Мощные компоненты могут быть установлены на краях печатной платы, чтобы тепло отводилось в корпус или шасси.
• Тепловая симметрия: Попытка сбалансировать распределение тепловыделяющих устройств на печатной плате может помочь снизить температуру локальных областей на печатной плате за счет уменьшения количества горячих точек и улучшить стандарт температуры воздуха на печатной плате.

Лучшие практики по внедрению технологий теплоотвода печатных плат

В зависимости от стадии процесса проектирования управление нагревом печатных плат (ПП) должно осуществляться систематически, начиная с выявления проблемы и заканчивая решением задач по управлению нагревом.

Тепловой анализ и моделирование на ранних стадиях

На ранних этапах цикла проектирования необходимо провести оценку и моделирование, чтобы снизить риски перегрева и проверить эффективность других методов контроля тепла до создания физических прототипов. Программы, использующие такие процессы, как анализ конечных элементов (FEA), которые моделируют, как печатная плата выделяет тепло и как тепло передается внутри нее, позволяют инженерам улучшить расположение компонентов, секций охлаждения или вентиляторов охлаждения. Возможность устранить эти проблемы до того, как продукт перейдет на более позднюю стадию разработки, позволяет сэкономить много ресурсов и времени.

Учет различных условий применения

Условия эксплуатации электронного устройства сильно влияют на терморегулирование стратегии, которые необходимо принять. Устройствам, работающим при высоких температурах или в закрытых помещениях, ограничивающих поток воздуха, потребуются более сложные решения для охлаждения по сравнению с устройствами, работающими при низких температурах и в хорошо вентилируемых средах.

Кроме того, высота над уровнем моря, влажность, наличие пыли и других загрязнений также могут влиять на тепловые характеристики устройств. Эти факторы должны быть сбалансированы при выборе и проектировании методов отвода тепла от печатной платы. Например, устройство, предназначенное для использования на открытом воздухе в теплом климате, может потребовать более мощных вентиляторов охлаждения и больших теплоотводов по сравнению с тем же устройством, используемым в закрытых помещениях с контролируемым воздухом.

Сочетание нескольких техник для максимальной эффективности

В большинстве случаев для достижения эффективного теплового управления лучше всего использовать несколько методов. Например, сочетание радиатора на мощном компоненте, а также стратегически расположенных теплораспределителей и тепловых проходов, наряду с принудительным воздушным охлаждением мощного компонента, позволит охладить устройство гораздо эффективнее по сравнению с использованием одного метода.

Фактический метод или методы охлаждения, которые будут использоваться, зависят от уникальных параметров применения, таких как выделяемое тепло, доступная площадь, стоимость инвестиций и необходимая надежность.

Советы ACDCFAN: Когда следует использовать охлаждающий вентилятор в конструкции печатной платы?

В большинстве случаев использование вентилятора в конструкции печатной платы - это компромисс между функциональностью, стоимостью, шумом и надежностью системы. Вот несколько важных признаков, которые могут указывать на необходимость активного охлаждения вентилятором:

• Высокая рассеиваемая мощность: IЕсли один или несколько компонентов, установленных на плате, рассеивают большую мощность (например, >10 Вт), использование только пассивного охлаждения, например радиаторов, не гарантирует безопасной рабочей температуры, особенно если среда компактна.
• Высокие температуры окружающей среды: Если требуется, чтобы устройство работало в регионах с высокой температурой окружающей среды (например, >40°C), разница температур, обеспечивающая пассивный теплообмен, оказывается ниже, чем необходимо, поэтому требуется активное охлаждение.
• Ограниченная естественная конвекция: Такие герметичные системы с плохой вентиляцией и ограниченным потоком воздуха могут привести к накоплению тепла, что может потребовать принудительного охлаждения воздуха с помощью вентилятора.
• Жесткие требования к производительности: Если приложение требует, чтобы определенные процессоры или GPU постоянно работали с максимальной производительностью, активное охлаждение поможет обеспечить оптимальную рабочую температуру и избежать последствий теплового дросселирования.
• Высокая плотность компонентов: Печатные платы с плотным монтажом могут накапливать большое количество тепла, что затрудняет контроль температуры с помощью пассивных методов охлаждения.
• Вопросы надежности: Активное охлаждение помогает важным компонентам служить дольше благодаря снижению рабочей температуры. В результате оно идеально подходит для приложений, требующих долгосрочной надежности.

Пассивные и активные методы охлаждения

Стратегии управления теплом, применяемые для печатных плат, можно разделить на пассивные и активные методы, каждый из которых вносит свой вклад в общее тепловое управление современными электронными устройствами:

При пассивном охлаждении тепло отводится без использования внешней энергии. Примерами могут служить радиаторы, тепловые проходы, оптимизация медного слоя и выбор материала печатной платы. Такие методы обычно менее сложны, имеют более высокую надежность, поскольку не имеют движущихся частей, и не требуют дополнительной энергии. С другой стороны, их потенциал охлаждения ограничен из-за пассивного способа отвода тепла. Стратегическое размещение активных компонентов на печатной плате также может считаться пассивной техникой охлаждения, при которой компоненты размещаются таким образом, чтобы минимизировать тепловые помехи между соседними компонентами.

Активные методы охлаждения - это те, в которых используется внешнее устройство, работающее на энергии и отводящее тепло от печатной платы. Наиболее распространенный тип таких методов - использование охлаждающих вентиляторов для нагнетания воздуха на радиаторы и поверхность печатной платы. Другими примерами активных методов могут быть системы жидкостного охлаждения, которые обладают большей способностью к охлаждению, но, как правило, более сложны и дорогостоящи. Хотя и активные, и пассивные методы имеют свои уникальные преимущества, активные методы охлаждения позволяют значительно улучшить рассеивание тепла, что делает их гораздо более выгодными для приложений, использующих силовую электронику, или в местах, где естественная конвекция практически отсутствует. Однако активные решения имеют и некоторые недостатки, такие как нежелательный шум, потребление дополнительной энергии и ограниченный срок службы, зависящий от надежности их активных частей.

ACDC FAN: Ваш партнер по эффективному охлаждению печатных плат

Мировой производитель решений для охлаждения ACDCFAN специализируется на производстве переменный ток и радиальные, BLDC и радиальные, и Осевые вентиляторы ECвсе необходимое для оптимальной терморегуляции печатной платы. Наши вентиляторы отличаются высокой надежностью и долговечностью, их срок службы составляет до 70 000 часов при температуре 40°C, а также неограниченной возможностью настройки для температур до 120°C. Это гарантирует снижение долгосрочных проблем со стабильностью и производительностью устройств.

Зная различные потребности приложений, наши вентиляторы имеют многоуровневую скорость вращения от 1000 до 30 000 об/мин, что позволяет легко регулировать воздушный поток и давление в зависимости от особенностей печатной платы и условий охлаждения. Кроме того, мы предлагаем индивидуальные размеры и формы вентиляторов, а также дизайн и функции для улучшения системной интеграции и решения различных тепловых проблем.

Являясь компанией, сертифицированной по стандартам ISO (ISO9001, ISO14001), ACDCFAN придерживается самых высоких стандартов качества и охраны окружающей среды. Наши охлаждающие вентиляторы соответствуют требованиям RoH, что гарантирует безопасность продукции и отвечает международным стандартам безопасности, таким как UL, CE, TUV, а также ограничениям Iso, что подтверждает отсутствие загрязняющих веществ.

Для печатных плат с повышенной рассеиваемой мощностью, компактным расположением компонентов или сложными тепловыми условиями ACDCFAN предлагает надежные системы охлаждения, которые могут быть адаптированы к вашим потребностям и гарантируют оптимальную производительность. В результате повышается надежность и увеличивается срок службы ваших электронных изделий. Присоединяйтесь к нам, чтобы решить свои неотложные задачи по охлаждению печатных плат.

Заключение

Методы отвода тепла от печатной платы больше не являются чем-то необязательным. Они стали незаменимы для повышения надежности и сверхпроизводительности электронных устройств. Риски, вызывающие перегрев и эрозию продукта, можно устранить, если иметь твердое представление о тепловом управлении и применять сложные методы охлаждения, оптимизировать расположение компонентов и следовать передовым практикам.

Независимо от того, что вы предпочитаете - пассивные решения охлаждения или более агрессивные активные решения охлаждения, которые предлагают вентиляторы, - последовательный подход к управлению тепловыделением является ключевым. При проектировании электроники не забывайте, что сотрудничество с опытными поставщиками решений для охлаждения, такими как ACDCFAN, поможет вам решить проблемы теплоотвода печатных плат.