Как правило, при управлении температурой на печатных платах основное внимание уделяется проблеме избыточного тепловыделения, а противоположное явление часто упускается из виду: ситуации, когда целесообразно повысить температуру выше минимального значения, то есть нагреть печатную плату, чтобы электронные компоненты не вышли за пределы своего рабочего диапазона.

Таким образом, существуют различные варианты применения систем терморегулирования:

• Наиболее распространенный сценарий предполагает рассеивание тепла, выделяемого на печатной плате, чтобы компоненты и материалы платы сохраняли свою целостность и могли работать в пределах максимально допустимых температур.
• Второй сценарий предполагает преднамеренный нагрев печатной платы для поддержания системы в пределах рабочих параметров, при температуре выше минимальной рабочей температуры.

Например, температура атмосферы на высоте 10 км падает примерно на 65 °C по сравнению с уровнем моря. Это означает, что для корректной работы систем самолета, эксплуатируемого на такой высоте, электроника должна каким-либо образом нагреваться. То же самое относится к экстремальным условиям окружающей среды: Антарктида, спутники и т. д. Даже компоненты, рассчитанные на военные температуры (от -55 до 125 °C), могут быть превышены.

Печатные платы (ПП) имеют два источника тепла: электронные компоненты и медные проводники, соединяющие их. Что касается компонентов, мы рассмотрим методы рассеивания тепла, которые они генерируют, и предоставим практические рекомендации по оптимальному проектированию ПП для отвода тепла. В отношении тепла, выделяемого при протекании тока по дорожкам, будет описан стандарт IPC-2152, и будет рассмотрен практический пример проектирования с представлением полученных результатов.

Стандарты МПК и контроль температуры

Первые экспериментальные данные, касающиеся нагрева дорожек печатных плат, относятся к середине прошлого века. Эти измерения проводились путем изучения температуры внешних дорожек при различных токах, в то время как для внутренних дорожек использовалась интуиция, предполагалось, что их температура будет примерно вдвое выше, чем у внешних дорожек.

Эти результаты, обобщенные в стандарте MIL-STD-1495, были опубликованы спустя годы в рамках стандарта IPC-D-275. Впоследствии они были вновь включены в стандарт IPC-2221, и проектирование печатных плат основывалось на них до недавнего времени.

Наконец, МПК спонсировал всестороннее исследование по этой теме, и полученные данные легли в основу новых таблиц, опубликованных в 2009 году в рамках стандарта IPC-2152. Новые значения, гораздо более подробные, чем доступные до этого, и описывающие совершенно иные ситуации, привели к некоторым изменениям:

• Для внешних слоев данные о температуре были скорректированы в сторону уменьшения примерно на 25%.
• Что касается внутренних слоев, то неожиданностью стало обнаружение того, что они охлаждаются почти так же хорошо, или даже лучше, чем внешние слои. Это объясняется тем, что внутренние материалы печатной платы отводят тепло от дорожек лучше, чем воздух.

Основной таблицей стандарта IPC-2152, служащей основой для всех остальных расчетов, является хорошо известный график на рисунке 5-2. Этот график связывает токи с поперечными сечениями дорожек при различных повышениях температуры выше температуры окружающей среды. Эта таблица применима к печатным платам площадью ​​≥ 3x3”. Для печатных плат меньшего размера используется более консервативная таблица на рисунке 5-1.

График, эквивалентный рисунку 5-2 стандарта IPC-2152

Другие исходные характеристики этой «универсальной таблицы» заключаются в том, что она создана для толщины меди 3 унции и полиамидной подложки толщиной 70 мил (1,77 мм).
На основе этой универсальной таблицы стандарт устанавливает несколько других вспомогательных таблиц с поправочными коэффициентами для «универсальных» значений, основанных на различных факторах:
• Коррекция в зависимости от базовой толщины меди: поправочные коэффициенты генерируются для толщин 0,5 унции, 1 унции и 2 унции (3 унции — исходное значение).
• Коррекция в зависимости от плоскости, ближайшей к дорожке и генерирующей тепло. Эта плоскость оказывает наибольшее влияние на рассеивание тепла, поскольку является основной рассеивающей поверхностью, и поправочные коэффициенты генерируются для плоскостей на расстояниях 5, 20 и 40 мил.
• Коррекция в зависимости от типа изоляционного материала, включающая дополнительный коэффициент для печатных плат из материала FR4.
• Корректировка в зависимости от общей толщины печатной платы с использованием коэффициентов умножения для толщин 38 и 59 мил (70 мил — начальное значение).

Различные графики и поправочные коэффициенты позволяют нам с достаточной точностью рассчитать повышение температуры печатной платы по сравнению с температурой окружающей среды.
Если мы добавим к этой результирующей температуре запас прочности, который мы хотим обеспечить в нашем проекте, мы получим минимальную температуру стеклования (Tg) материала, из которого мы должны изготовить нашу печатную плату.

Тепло, выделяемое дискретными компонентами

В некоторых случаях дискретный компонент может работать в пределах своего безопасного рабочего диапазона, и в то же время температура, достигаемая его корпусом, может быть значительно выше значения Tg материала печатной платы (примечание автора: автор может подтвердить, что видел, как КМОП-транзистор расплавил олово в своих паяных соединениях, сохраняя при этом стабильную работу и не разрушаясь... хотя то же самое нельзя сказать о печатной плате, на которой он был установлен).

Это наиболее распространенный случай применения: избыточное тепло. Для решения этой проблемы традиционно используется подход, известный как тепловой закон Ома. Этот подход приравнивает мощность, рассеиваемую компонентом (Вт), к току (А) в обычной цепи с последовательным резистором. Избыточное тепло, которое необходимо поглотить (°C), «рассеивается» на различных тепловых сопротивлениях (Rth в °C/Вт), подобно тому, как напряжение (V) распределяется в нашей «виртуальной» цепи пропорционально электрическим сопротивлениям (Ом).

Разработка этого базового метода широко известна, и информацию о нем легко найти, поискав в интернете по запросу «термический закон Ома на печатных платах». Однако, на рисунке, показанной на рисунке, уже не так просто решить тепловую схему, напоминающую сложные базовые упражнения по электронике из моих студенческих лет:

Данный случай не будет подробно рассматриваться здесь, поскольку мы хотим, чтобы эта статья дошла до как можно большего числа людей. Однако различные тепловые сопротивления между различными проводящими плоскостями, пути передачи тепла к нижнему слою и другие тепловые сопротивления, уже установленные в базовом примере, отчетливо видны. Диаграмма отображает различные пути и механизмы распространения тепла внутри печатной платы.

В любом случае, мы можем предложить практические рекомендации, почерпнутые из технической литературы, для достижения хорошего теплового проектирования (хотя они никогда не смогут превзойти современные программы моделирования):

• На двухсторонней печатной плате с цельной медной изоляцией, без радиатора и с естественной конвекцией воздуха (без вентилятора) минимальная площадь, необходимая для рассеивания 1 Вт
мощности при повышении температуры на 40 °C, составляет 15,3 см². Здесь мы не говорим о толщине меди, поскольку рассеивание тепла происходит конвекцией, а не проводимостью. Однако предполагаются определенные условия: свободная циркуляция воздуха с обеих сторон печатной платы (печатная плата не находится внутри закрытого корпуса), а также хорошая тепловая конструкция печатной платы, оптимально распределяющая тепло от микросхемы к краям. Следующие пункты помогут оптимизировать это второе условие.

• Чем толще слой меди, тем лучше теплопроводность. Слой меди толщиной 2 унции имеет на 25% меньшее тепловое сопротивление, чем слой толщиной 1 унция (т.е., он улучшает рассеивание тепла на 25%).
• Медная плоскость, по которой распространяется тепло, должна быть расширена, и следует избегать перпендикулярных разрезов в направлении распространения тепла.
• Если возможно, разместите радиатор вдоль пути наименьшего теплового сопротивления к охлаждаемому переходу чипа. Корпус с нижним тепловым зазором имеет меньшее тепловое сопротивление переходу в этой точке, поэтому более благоприятный результат достигается, если радиатор размещен на нижней поверхности печатной платы.
• Если на печатной плате имеется несколько источников тепла, рекомендуется использовать метод суперпозиции. Это включает в себя решение задачи для каждого источника тепла отдельно, вычисление повышения температуры, которое он вызывает в местах расположения других источников тепла, а затем суммирование всех индивидуальных вкладов. Это даст хорошую оценку повышения температуры в каждой точке.

Следуя этим рекомендациям, мы перечислим различные факторы, влияющие на конечное значение теплового сопротивления перехода к окружающей среде θja для микросхемы, уже установленной на схеме, при различных конфигурациях печатной платы:

• Увеличение количества слоев улучшает общее рассеивание тепла: улучшение теплового сопротивления между двухсторонней печатной платой и четырехслойной печатной платой с внутренними плоскостями может достигать 40% (конечное значение θja уменьшается на 40%).
• Наличие отдельных плоскостей на верхней и нижней сторонах, соединенных с опорной областью микросхемы или «косточкой», также улучшает ее рассеивание тепла до 20%.
• Медная структура этих верхней и нижней плоскостей также влияет на конечное тепловое сопротивление: медное покрытие, уменьшенное до 50% от его идеальной максимальной площади поверхности (медная плоскость без разрывов), ухудшает рассеивание тепла примерно на 3%.
• Паяльная маска на верхней и нижней плоскостях улучшает рассеивание тепла примерно на 4-5% (конечное значение θja уменьшается на эту величину). Паяльная маска имеет лучшее теплоотведение, чем медь, хотя это может показаться нелогичным.
• Размещение теплоотводящих переходных отверстий в области «собачьей кости» (под корпусом микросхемы), а также увеличение их размера, значительно улучшает рассеивание тепла, снижая итоговое значение θja. Рекомендуемый диаметр переходного отверстия составляет 12–13 мил (0,30–0,33 мм), что может снизить итоговое значение θja на 15–25%.

Сквозное отверстие диаметром 0,3 мм (12 мил) с медными стенками толщиной 18 мкм имеет тепловое сопротивление 261 °C/Вт. Рекомендуется размещать как можно больше таких отверстий — их количество имеет большое значение — образуя массив с расстоянием между ними в 1 мм на открытой теплоотводящей площадке.

• Факторы, оказывающие незначительное влияние на общий набор параметров θja:
✔ Расположение переходных отверстий в области «собачьей кости».
✔ Расположение переходных отверстий в окружающей области, за пределами области «собачьей кости».
✔ Конструкция корпуса компонента в опорной зоне.
✔ Материалы соединительных проводов (внутри микросхемы).

• Важные факторы:
✔ Размер микросхемы и размер посадочной поверхности имеют значение; чем больше, тем лучше.
✔ Процент поверхности печатной платы, покрытой паяльной маской, также важен: чем выше процент, тем лучше. Общее сопротивление θja существенно не изменяется, если уменьшение от максимально возможного значения (100% поверхности печатной платы, покрытой паяльной маской) составляет менее 50% от площади поверхности (ухудшение θja составляет менее 5%). Однако, когда покрытие падает ниже этого уровня, тепловые характеристики значительно ухудшаются (до 35%, если покрытие паяльной маской составляет 5% от площади поверхности).

Принимая во внимание все эти соображения, мы можем обобщить их в виде набора рекомендаций по оптимизации конструкции печатной платы с точки зрения тепловых характеристик:

• Используйте максимально возможную площадь поверхности печатной платы с максимально толстым слоем меди (как минимум четыре стороны, 3x3 дюйма, толщина 2 унции/1 унция/1 унция/2 унции).
• Используйте тепловые переходные отверстия в области заземления охлаждаемых компонентов, соединяя верхний, внутренний и нижний слои GND.
• Размещайте тепловые переходные отверстия ближе к периферии открытых контактных площадок, если максимальное количество переходных отверстий не может быть размещено по всей поверхности.
• Создайте заземляющую плоскость максимально большого размера, насколько позволяет топология печатной платы, особенно рядом с охлаждаемым корпусом, на верхнем, нижнем и среднем слоях.
• Соедините плоскость GND с нижней заземляющей контактной площадкой «тепловых» корпусов микросхем.
• Соедините выводы, относящиеся к одному и тому же соединению на каждом корпусе микросхемы, такие как GND, PVIN и POUT. Это позволит максимизировать площадь меди непосредственно рядом с корпусами.
• Делайте соединительные дорожки как можно длиннее, поскольку они служат для отвода тепла наружу охлаждаемых микросхем.

Тепло, выделяемое дорожками печатной платы

Для характеристики нагрева печатной платы под воздействием тока, протекающего по проводящим дорожкам, наилучшим нормативным эталоном является стандарт IPC-2152.
условий
изготовления печатных плат

Используя графики, приведенные в этом стандарте, рассчитывается повышение температуры относительно температуры окружающей среды, что позволяет определить конечную температуру цепи. Это значение не должно превышать критическое значение Tg нашего материала печатной платы.

Если площадь анализируемой или проектируемой печатной платы превышает 3х3 дюйма² (квадрат со сторонами 76,2 мм), то в качестве отправной точки используется «универсальная диаграмма» стандарта. Если площадь поверхности печатной платы меньше, используется «консервативная диаграмма».

Эти графики непосредственно показывают площадь поперечного сечения медной дорожки при заданном токе и ожидаемом повышении температуры. Как уже упоминалось, эти графики построены в определенных условиях эксплуатации. Поэтому для корректировки результатов в соответствии с фактическими характеристиками нашей схемы необходимо применить поправочные коэффициенты:
• Коррекция применяется к различиям в размере медных проводников (исходный график был получен для дорожек толщиной 3 унции).
• Дополнительная коррекция применяется с учетом наличия и площади проводящих плоскостей вблизи дорожки, поскольку они вносят значительный вклад в рассеивание тепла. Исходный график был получен без учета смежных плоскостей.
• Также необходимо применить корректировку, основанную на конечной общей толщине печатной платы.
Универсальный график получен для общей толщины 70 мил (1,778 мм).
• Если печатная плата изготовлена ​​из материала FR-4 вместо полиимида, необходимо также применить дополнительный поправочный коэффициент.

Все эти корректирующие факторы приведены в таблице стандарта, и с их помощью мы можем регулировать площадь поперечного сечения проводника, которая вызывает ожидаемое повышение температуры на нашей печатной плате.

Здесь стоит отметить, что графики в стандарте основаны на предположении, что анализируемые дорожки разделены расстоянием более 1 дюйма (25,4 мм), что часто непрактично. Если дорожки расположены ближе друг к другу, их температура повысится. Для учета этого эффекта следует использовать суммарный ток всех дорожек.

В качестве примера мы обобщим процесс проектирования нагревателя, реализованного на практике на внутренних дорожках 6-слойной печатной платы. Дорожки, выполняющие функцию нагревателя, расположены на слоях L3 и L4, окруженных плоскостями питания и заземления на слоях L2 и L5 соответственно. Печатная плата изготовлена ​​из материала FR-4, толщина дорожек на всех внутренних слоях составляет 0,5 унции. Поскольку площадь печатной платы превышает 3x3 дюйма, мы можем использовать универсальную диаграмму и применить различные поправочные коэффициенты.

Общая толщина печатной платы составляет 61 мил (1,55 мм), при этом толщина двух внутренних слоев составляет 0,55 мм (21,65 мил). Между ними также имеется зазор 0,108 мм (достигнутый за счет слоя препрега 2116 толщиной 4,28 мил). Детали структуры показаны на следующем рисунке.

Каждая дорожка, являющаяся частью нагревателя в L3 и L4, имеет плоскость толщиной около 21,65 мил, и другую плоскость на противоположной стороне, расположенную дальше, на расстоянии 25,94 мил (21,65 + 4,28). Это приводит к двойному охлаждению каждого из слоев излучающих дорожек в нашем нагревателе. Рассматривая эти два эффекта по отдельности, мы применим стандарт IPC для расчета индивидуального эффекта каждой плоскости, расположенной вблизи излучающих дорожек. Затем, используя метод суперпозиции, мы рассчитаем суммарное тепловое сопротивление «параллельного» эквивалента обоих тепловых сопротивлений. Эффект одинаков для двух слоев тепловых дорожек L3 и L4.

В качестве отправной точки нам необходимо, чтобы нагреватель повысил температуру печатной платы примерно на 15 °C, при этом ток, предусмотренный конструкцией, должен составлять 9 А.

Используя подход эквивалентной схемы для тепловых сопротивлений, представленный в предыдущем разделе, поскольку выделяемое тепло имеет два одновременных пути рассеивания, эффект, создаваемый двумя плоскостями, соответствует существованию двух приблизительно равных тепловых сопротивлений, соединенных параллельно. Мы знаем, что конечное сопротивление двух резисторов, соединенных параллельно, меньше меньшего из двух, и что если они равны, то результат равен половине их значения. Применяя эту концепцию к динамике температуры, на практике это означает предположение, что печатная плата будет охлаждаться приблизительно «вдвое лучше», чем если бы она имела только одну плоскость. Поэтому мы будем проводить наши расчеты для каждой отдельной плоскости, рассматривая желаемое индивидуальное повышение температуры на 30 °C, предполагая, что конечная температура будет приблизительно результатом деления повышения на два, что даст желаемые 15 °C.

Далее мы будем использовать стандартные таблицы IPC, предполагая, что имеется только одна плоскость охлаждения вместо двух, и будем исходить из предположения, как уже говорилось, о начальном повышении температуры на 30 °C.

Ниже приведён пример одной из итераций, выполненных в ходе вычислений.

С учетом известных переменных без учета каких-либо компенсаций, в универсальной таблице мы получаем начальное значение площади поперечного сечения меди (Ac) 299,7 мил², что эквивалентно ширине дорожки (W) 76,8 мил для дорожек толщиной 3 унции, как это предусмотрено универсальной таблицей.

Ac = 299,7 мил², W = 76,8 мил при 3 унциях, повышение температуры на 30 °C

Теперь мы учитываем следующие компенсационные коэффициенты:
• Толщина дорожек 1/2 унции вместо 3 унций: множитель 0,858 согласно таблице компенсации толщины меди. Ac = 257,3 мил²
• Общая толщина цепи 61 мил вместо 70 мил: множитель 1,084 согласно таблице толщины. Ac = 279 мил²
• Наличие плоскости толщиной 1/2 унции на расстоянии 21,65 мил от дорожек: множитель 0,53 согласно таблице близости плоскостей. Ac = 147,5 мил²
• Наличие плоскости, выполняющей функцию радиатора, с площадью более 3x3 дюйм²: множитель 0,95. Ac = 140,4 мил²
• Мы используем материал FR-4 вместо полиимида: согласно таблице материалов, мы применяем множитель 1,02. Ac = 143,2 тыс.², W = 209,11 тыс.

Затем мы повторили то же самое для следующего радиатора, расположенного на расстоянии 25,94 мил от нагревательных дорожек. Полученные площадь поперечного сечения и ширина дорожек следующие: Ac = 146,37 мил², W = 213,73 мил

Теперь нам необходимо выполнить несколько итераций, пока мы не получим одинаковый результат по площади в обоих случаях. Для этого мы немного изменим
приращения температуры, рассматриваемые в каждом случае, пока не получим одинаковую ширину дорожки. В нашем случае мы получаем равновесное значение для следующего результата:

Ac = 142,9 мил², W = 208,6 мил, что получено при исходных значениях:

• Повышение температуры на 31,36 °C при толщине слоя 21,65 мил.
• Повышение температуры на 32,20 °C при толщине слоя 25,94 мил.

Если мы рассчитаем конечное повышение температуры, вызванное этими двумя терморезисторами, соединенными параллельно, мы получим результат 15,88 °C, значение, достаточно близкое к первоначальному расчетному значению.

С другой стороны, вспоминая исходные данные из нашего примера, мы предположили, что наш радиатор работает с током нагрева 9 А. На практике мы не будем проектировать печатную плату с одной дорожкой толщиной 1/2 унции на дюйм пространства и шириной 208,6 мил, через которую будет проходить этот ток. Вместо этого мы будем учитывать суммарный эффект дорожек в пределах 1-дюймовой области, расстояние между которыми установлено стандартом IPC-2152, для создания всех таблиц, на которые мы опирались в процессе проектирования.

Для учета суммарного эффекта нагрева, который они производят, использовалась топология трассировки сетки, при этом суммировались токи всех элементов на один дюйм поверхности.

Для этой цели мы создали сетку вдоль двух внутренних слоев, как показано на рисунке, разместив горизонтальные дорожки на слое L3 и вертикальные дорожки на слое L4.

В результате такого расположения получается показанное на следующих рисунках распределение дорожек, в общей сложности 16 дорожек, расположенных в пределах области шириной
1 дюйм с каждой стороны. Затем мы делим полученную общую ширину дорожек на 16 дорожек, которые будут способствовать нагреву области, получая ширину одной дорожки 208,6/16 = 13,04 мил (0,33 мм).

При такой ширине дорожки, толщине ½ унции и общей длине 8,6 м результирующее сопротивление составляет 21,3 Ом, что при подключении к выходу стабилизатора напряжения 12 В создает ток 0,562 А. Рассчитав накопленный ток, протекающий в нашем боковом пространстве шириной 1 дюйм, мы получаем 9 А, которые мы использовали в наших первоначальных расчетах.

Распределение общей длины дорожек внутри печатной платы осуществляется в соответствии с установленным расстоянием для получения 16 дорожек/дюйм, а окончательные результаты работы системы показаны на следующих рисунках, полученных с помощью тепловизионной камеры.

3D-вид печатной платы

Деталь направляющих, выполняющих функцию обогревателя

Тепловое изображение при 25 °C

Тепловое изображение при 31 °C

Тепловое изображение при 35 °C

Тепловое изображение при 40 °C

Заключение

Проведен обзор факторов, которые необходимо учитывать при
прогнозировании теплового поведения печатной платы, с особым акцентом на стандарт IPC-2152, а также приведен пример использования этого стандарта при проектировании нагревателя,
встроенного в печатную плату и использующего нагрев, вызванный прохождением электрического тока по ее дорожкам.

Мы надеемся, что эти рекомендации по проектированию послужат отправной точкой для вашей системы теплоотвода, и в любом случае, в NCAB мы будем рады помочь вам с любыми
техническими вопросами, которые могут у вас возникнуть, чтобы вы могли уверенно подойти к проектированию системы теплоотвода вашей печатной платы.

Автор: Хуан Луис Тебар Гарсия, NCAB Group http://www.ncabgroup.com/