Progettazione e collaudo termici: soluzioni per il riscaldamento anormale del PCBA

Il riscaldamento anormale nel PCBA (assemblaggio di circuiti stampati) è un problema critico che può avere un grave impatto sulprestazioni, affidabilità e durataLa Commissione ha adottato un regolamento che stabilisceprogettazione termica e test rigorosiSono essenziali per affrontare e mitigare questi problemi legati al calore.

Comprendere il riscaldamento anormale del PCBA

L'eccesso di calore su un PCBA è generalmente causato da diversi fattori:

• Consumo di energia elevato:I componenti (come CPU, GPU, circuiti integrati di potenza, LED) generano calore proporzionale alla potenza che dissipano.
• Disposizione inefficiente dei componenti:Un posizionamento improprio può portare a punti caldi localizzati o ostacolare il flusso d'aria.
• Inadeguate vie di dissipazione del calore:Insufficiente rame nelle tracce di PCB, mancanza di vie termiche o interfacce termiche scadenti con i dissipatori di calore.
• Meccanismi di raffreddamento insufficienti:Mancanza di dissipatori di calore, ventilatori o una corretta ventilazione dell'alloggio.
• Fattori ambientali:Le alte temperature ambientali possono aggravare i problemi di riscaldamento.

Progettazione termica: prevenzione del calore prima che si accenda

La progettazione termica efficace consiste nell'integrare la gestione del calore nel PCBA da zero.

1. Selezione dei componenti:

   • Impostare le prioritàcomponenti ad alta efficienza energeticacon correnti quiescenti inferiori ed efficienze maggiori.
   • Selezionare i componenti conresistenza termica adeguataper la loro dissipazione di potenza prevista.

2. Ottimizzazione del layout del PCB:

   • Posizionamento strategico delle componenti:I componenti ad alta potenza (ad esempio, circuiti integrati di potenza, processori, regolatori di tensione) devono essere collocati lontano dai componenti sensibili al calore (ad esempio, sensori, circuiti analogici di precisione, condensatori elettrolitici).
   • Vias termici: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.
   • Copper Pour/Plane:Utilizzare grandi versamenti di rame o piani di terra/potenza dedicati comestrati di diffusione del calorePiù rame, migliore la conduzione del calore.
   • Dimensione delle tracce:Assicurarsi che le tracce di potenza siano abbastanza larghe da trasportare la corrente richiesta senza un eccessivo riscaldamento resistivo (Io...2Rperdite).

3. Dischi di riscaldamento e ventilatori:

   • Dischi termosiferi:Collegare i dissipatori di calore direttamente ai componenti ad alta potenza, che aumentano la superficie disponibile per la convezione del calore verso l'aria circostante.Il materiale di interfaccia termica (TIM) corretto tra il componente e il dissipatore di calore è fondamentale.
   • Fani:Per una maggiore dissipazione di potenza, il raffreddamento attivo con ventilatori può aumentare significativamente il flusso d'aria sui dissipatori di calore e il PCBA, aiutando l'eliminazione del calore.e consumo di energia.

4. Disegno dell'alloggiamento:

   • Ventilazione:Progettare l'alloggiamento con aperture di ventilazione sufficienti e aperture posizionate in modo strategico per consentire la convezione naturale (effetto camino) o il flusso d'aria forzato dai ventilatori.
   • Selezione del materiale:Gli involucri metallici possono agire come ulteriori dissipatori di calore, dissipando il calore attraverso le loro superfici.

5. Simulazione termica:

   • UtilizzareStrumenti di ingegneria assistita da computer (CAE)- esoftware di simulazione termica(ad esempio, ANSYS, Mentor Graphics FloTHERM, COMSOL) all'inizio della fase di progettazione.
   • Scopo:Per prevedere la distribuzione della temperatura, identificare i potenziali punti caldi e valutare l'efficacia delle diverse soluzioni di raffreddamento prima della prototipazione fisica, risparmiando tempo e costi.

Prova termica: convalida del progetto

Una volta che il PCBA è prototipo, sono essenziali rigorosi test termici per convalidare il progetto e confermare che funzioni entro i limiti di temperatura di sicurezza in varie condizioni.

1. Camera termica/termografia a infrarossi:

   • Scopo:Per identificare visivamente e mappare la distribuzione della temperatura sulla superficie del PCBA.
   • Metodo:Una telecamera a infrarossi cattura immagini termiche, rivelando punti caldi e gradienti di temperatura in tempo reale.

2. Misurazione del sensore di temperatura/termopare:

   • Scopo:Per ottenere precise letture di temperatura in punti specifici dei componenti o del PCB.
   • Metodo:I piccoli termoparti o sensori RTD (Restance Temperature Detector) sono collegati ai punti chiave di interesse.specialmente durante il funzionamento e le prove di sollecitazione.

3. Camere ambientali:

   • Scopo:Per testare le prestazioni termiche del PCBA in una serie di condizioni ambientali controllate.
   • Metodo:Il PCBA è collocato in uncamera di temperatura(o uncamera di scossa termicaQuesto metodo permette di verificare le prestazioni e di individuare i guasti dovuti allo stress termico.

4. Prova di invecchiamento (prova di combustione) con monitoraggio della temperatura:

   • Scopo:Per far funzionare il PCBA sotto stress continuo (compresa la temperatura elevata) per un periodo prolungato per identificare "fallimenti precoci" e garantire l'affidabilità a lungo termine.
   • Metodo:Le PCBA sono generalmente eseguite in unforno a combustione internaIn questo caso, il controllo delle temperature di funzionamento è basato su un'analisi delle condizioni di funzionamento delle camere, spesso a temperature di funzionamento superiori a quelle normali, mentre viene monitorata la loro funzionalità e le temperature dei componenti chiave.

5. Misurazione del flusso d'aria e della pressione:

   • Scopo:Per i progetti che prevedono un raffreddamento attivo (ventilatori), assicurare un adeguato flusso d'aria e un calo di pressione all'interno dell'alloggiamento.
   • Metodo:Gli anemometri (per la velocità del flusso d'aria) e i manometri di pressione sono utilizzati per caratterizzare le prestazioni di raffreddamento.

L'integrazione dei principi di progettazione termica proattiva con test termici completi consente ai produttori di affrontare efficacemente il riscaldamento anormale del PCBA, portando a un sistema di accumulo di calore più robusto, affidabile e resistente.e prodotti elettronici ad alte prestazioni.