Печатные платы. Эффективное теплоотведение

Если вы разрабатываете печатные платы, то наверняка сталкивались с проблемой теплового контроля. Считается, что среднее время безотказной службы полупроводниковых изделий уменьшается в два раза при каждом увеличении температуры на 10ºС, поэтому тепловой контроль - это критический параметр, определяющий срок службы изделия.

Применение HDI печатных плат с высокой плотностью элементной базы и малыми размерами, бессвинцовые технологии сборки (требования RoHS) увеличивает и без того немалое температурное воздействие на элементы платы и требует активного выведения производимого ими тепла, что особенно актуально для светодиодных печатных плат и плат на металлическом основании, как раз и разработанных для более эффективного теплоотведения.

При проектировании плат необходимо учитывать следующие факторы:

  • Уже более 30 лет в производстве печатных плат используют полиимидные ламинат и препрег-системы для обеспечения надёжности устройств при температурах свыше 200ºС. Сегодня усовершенствованные полиимидные и более новые, совместимые с беcсвинцовой технологией теплопроводящие эпоксидные системы предлагают конструкторам новые подходы, увеличивающие надёжность печатных плат в экстремальных условиях окружающей среды;
  • Критически важным фактором остаётся «стойкость» материала при циклических тепловых воздействий. Конструирование печатных плат с материалами, стойкими к тепловому расширению, увеличивает надёжность сквозных отверстий, уменьшает «усталость» паек SMT-компонентов. Применение таких новейших материалов с улучшенной теплопроводностью расширяет диапазон рабочих температур и удлиняет срок службы изделия;
  • Общий подход — уменьшение мощности элементной базы на единице площади печатной платы положительно сказывается на производстве тепла.

В переносе тепла принимают участия три физических процесса: теплопроводность, конвекция и радиоактивность. Но к печатным платам самое непосредственно отношение имеет именно теплопроводность, так как именно этот процесс обеспечивает эффективное теплоотведение. Использование алюминиевых радиаторов и материалов с высокой теплопроводностью — стандартный путь теплового контроля.

Все материалы характеризуются определенным значением теплопроводности (Tc), то есть способностью к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей материала к менее нагретым его частям, осуществляемому хаотически движущимися частицами (атомами, молекулами, электронами и т.п.). Количественно способность вещества проводить тепло определяется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В системе СИ коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K). Соответственно, для любого материала фактическое значение теплового потока определяется теплопроводностью самого материала, его площадью и толщиной.

Для печатной платы заданного размера (площади) — чем тоньше материал и выше его теплопроводность, тем больше тепла может отводиться за заданное время. Другой фактор, от которого зависит эффективный перенос тепла это, так называемое, тепловое сопротивление. Перенос тепла должен быть максимальным в том месте, где алюминиевый радиатор контактирует с печатной платой. Поэтому поверхности платы и радиатора должны быть тоже максимально гладкими. Для обеспечения наиболее плотного контакта радиатора с печатной платой между ними наносят связывающий «интерфейсный» материал — препрег. В настоящее время идеальный препрег — это продукт с высокой теплопроводностью (по крайней мере, не менее 1 Вт/м·K), тонкий насколько возможно, чтобы была возможность заполнения любых неровностей между радиатором и печатной платой, а также обеспечивающий прочное соединение между ними. В то же время материал должен быть эффективным диэлектриком.

Для дополнительного теплоотвода плата должна иметь специальные металлизированные медью сквозные отверстия, которые будут быстро отводить тепло с поверхности платы (медь имеет теплопроводность около 425 Вт/м·K).

Подробнее в статьях:

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *