Zaměříme se na konstrukčními postupy, které umožňují lepší řízení teploty. V tomto článku se budeme zabývat návrhovými postupy, které vylepšují tepelné řízení, včetně některých běžných metod pro odvod přebytečného tepla z desky plošných spojů.
Většina elektronických součástek generuje teplo, kdykoli jimi protéká proud. Množství tepla závisí na výkonu, vlastnostech elektrického zařízení a také konstrukci obvodu. K tepelným a výkonovým šíření přispívají rovněž určité součástky a zároveň elektrický odpor spojů, množství otvorů a měděných stop v obvodu.
Aby se předešlo poruchám nebo špatnému fungování obvodů, měli by se konstruktéři snažit vyrábět desky plošných spojů, které zůstávají v bezpečných teplotních mezích. Zatímco některé obvody budou fungovat bez dodatečného chlazení, existují situace, kdy je přidání chladičů, chladicích ventilátorů nebo kombinace několika mechanismů najednou nevyhnutelné. Nyní se tedy zaměříme na výrobní postupy, které umožňují lepší řízení a snižování teploty výsledné DPS.
Otázky, které je třeba zvážit při návrhu DPS, jsou:
Osvědčeným postupem je optimalizovat teplotu na úrovni komponentů s ohledem na provozní prostředí.
Faktory, které je třeba vzít v úvahu při rozhodování o chladicím mechanismu, zahrnují vlastnosti polovodiče, vlastnosti rozptylu tepla atd. Tyto informace jsou obvykle k dispozici v technickém listu nebo datasheetu od výrobce.
Zároveň platí, že přirozené konvekční chlazení je vhodné pro desky plošných spojů s malým množstvím odvodu tepla. Desky plošných spojů s velkým záhřevem však vyžadují chladiče, tepelné trubice, ventilátory, hustou měď nebo kombinaci několika chladicích technik dohromady.
Tepelný odpor vyjadřuje, jakou plochou konstrukce a při jakém rozdílu teplot na jejích površích dojde k přenosu 1 Wattu čili k přenosu energie o velikosti 1 J za 1 sekundu. Má označení R a jednotku [m2·K/W].
Tepelný odpor R = d / λ
λ (lambda) je součinitel tepelné vodivosti
d tloušťka materiálu
Tepelný odpor R je fyzikální veličina, která vyjadřuje tepelně-izolační vlastnosti materiálu nebo celé konstrukce. Přesněji řečeno tepelný odpor udává, jak konstrukce „brání“ teplu v prostupu konstrukcí, přičemž platí, že čím větší je, tím pomaleji teplo materiálem nebo konstrukcí prochází.
Konstruktéři často snižují tepelný odpor pomocí:
Je důležité si uvědomit, které komponenty generují nejvíce tepla, a rozhodnout se pro nejlepší mechanismus jeho odvodu. Pomocí datasheetu výrobce by měl konstruktér zjistit tepelný výkon a vlastnosti zařízení. Mnohdy výrobci poskytnou pokyny, jak odvádět přebytečné teplo ze zařízení.
V technologii plošných spojů jsou zdroj tepla a chladič často umístěny na opačných stranách DPS. Běžné FR4 materiály plošných spojů mají relativně nízkou tepelnou vodivost v rozmezí cca 0,3−0,5 W/mK. Použitím materiálu jádra s dobrou tepelnou vodivostí – obvykle kovy – se dosáhne zlepšení odvodu tepla (1,3 - 4,2 W/mK). Tyto desky s kovovým jádrem (IMS) mají největší efektivitu, pokud jsou navrženy jako jednostranné. Existují i speciální lamináty s podobnou hodnotou tepelné vodivosti jako IMS, ale jejich cena násobně vyšší než u běžných materiálů.
Konstruktéři mohou k identifikaci potenciálních problémů použít celou řadu technik. Mezi oblíbené přístupy patří použití nástrojů pro tepelnou analýzu, vizuální kontroly a infračervené kamery.
Provedením tepelné analýzy zjistíte, jak se budou součástky a deska plošných spojů chovat při různých teplotách a podmínkách. Analýza poskytuje konstruktérům představu o tvorbě a přenosu tepla v obvodu.
Konstruktéři pak mohou výsledky analýzy a simulací využít k navržení technik, které jim pomohou lépe řídit teplo.
Vizuální kontrola je snadný způsob, jak najít známky přehřátí, spálených nebo částečně poškozených součástí, suchých spojů, elektrického oblouku atd. Některé z viditelných znaků zahrnují vyboulené komponenty, spálené komponenty a zbarvené skvrny na desce plošných spojů. Kromě vizuální analýzy může i zápach pálené desky poukazovat na problémy s vytápěním.
Infračervené kamery, jsou dnes běžně dostupné a lze je využít k vyhodnocení tepelného záhřevu napájených prototypových desek a identifikaci přehřívání neviditelné pouhým okem. Kromě zobrazení oblastí, kde je nadměrné teplo, mohou kamery někdy identifikovat padělané nebo vadné díly, jejichž tepelné vlastnosti se liší od tepelných signatur originálních komponent.
Termovizní kamery také umí odhalit ta místa, kde je nedostatečná pájka, tedy místo s vyšším odporem a větší rozptyl tepla.
Existuje několik technik, které mohou konstruktéři využít k odstranění tepla ze součástek i desek plošných spojů. Mezi běžné mechanismy patří chladiče, chladicí ventilátory, tepelné trubice a silná vrstva mědi. Obvody generující větší množství tepla nejčastěji vyžadují více než jednu technologii. Například chlazení procesoru notebooku a zobrazovacích čipů vyžaduje zpravidla chladič, tepelnou trubku a ventilátor.
Chladič je tepelně vodivá kovová součástka s velkým povrchem, která se obvykle připojuje k součástkám, jako jsou výkonové tranzistory a spínací zařízení. Chladič odvádí teplo od součástky a rozptyluje ho do okolí. Především u vysokoproudých napájecích zdrojů pomáhá přidání chladicího ventilátoru k rychlejšímu odvodu tepla.
Tepelné trubice jsou vhodné pro kompaktní zařízení s omezeným prostorem. Trubky zajišťují spolehlivý a cenově výhodný pasivní přenos tepla. Mezi výhody patří provoz bez vibrací, dobrá tepelná vodivost, nenáročná údržba a tichý provoz, protože nemají žádné pohyblivé části.
Typická trubka obsahuje malé množství dusíku, vody, acetonu nebo čpavku. Tyto kapaliny pomáhají absorbovat teplo, po jehož odběru uvolňují páru, která se šíří podél potrubí. Potrubí má kondenzátor, kde při průchodu páry kondenzuje zpět do kapalné formy a cyklus začíná znovu.
Další metodou je propojení zdrojů tepla s chladičem pomocí tzv. tepelných průchodek. Ty se skládají z řady tzv. „tepelných vias“ mezi dvěma kontaktními oblastmi, kde zdroj tepla a chladič musí být propojeny v místech s nejnižším odporem přenosu tepla. Vyšší počet pokovených otvorů snižuje tepelný odpor.
Pokovené otvory mají měděnou plochu, čímž snižují tepelný odpor a zlepšují odvod tepla z kritických součástí vedení. Lepšího výkonu se proto dosáhne, jsou-li otvory umístěny blíže ke zdroji tepla. Na druhou stranu zvyšují hmotnost DPS, ale především zabírají prostor na desce a zvyšují náročnost a cenu výroby, kvůli hustotě vrtání. Prokovy poskytují pouze několikastupňový rozdíl teplot oproti DPS bez prokovu a tento rozdíl je lokalizován velmi blízko průchodu.
Obr. Případ bez tepelných prokovů je zobrazen vlevo a s 25 tepelnými prokovy je zobrazeno vpravo.
Při nedostatku místa pak může být řešením vyplnění otvorů tepelně vodivým materiálem. Používá se buď měď (u mikrootvorů), nebo vodivé pasty plněné stříbrem. Tyto technologie jsou však finančně daleko náročnější, takže je vždy potřeba zvážit tu technologii, která s k danému účelu hodí nejlépe. Jistým kompromisem může být zaplnění nevodivou pastou, pokud jsou otvory následně přeplátovány (via fill type VII).
V některých aplikacích je teplo ze zařízení, například z tepelně optimalizovaného integrovaného obvodu, odváděno kombinací polí průchozích a slepých otvorů a měděných plošek. Tím se eliminuje potřeba chladiče a zároveň se zlepší odvod tepla přes desku plošných spojů.
Použití většího množství mědi zajišťuje větší povrch, který pomáhá rozvádět a odvádět teplo. Takové desky plošných spojů jsou vhodné pro aplikace s vysokým výkonem. Nelze je však použít u desek s jemným motivem či HDI desek.
Jednou z možností, jak odvést teplo z konkrétního místa je zalisování měděného ingotu do desky. Tato technologie je však náročná na přesnost CNC obrábění a speciální lisovací nástroje a postup. Také rozdílná roztažnost materiálů může přinést problémy při dlouhodobé zátěži.
Potřebujete-li mít tepelně optimalizované desky plošných spojů, je nezbytné, aby již návrháři zvážili vše, co ovlivňuje teplotu přímo do fáze konceptu a během fáze návrhu a výroby, a také optimalizovali rozvržení součástek či chladičů na desce. V případě pochybností, jakou technologii zvolit je lepší se domluvit s výrobcem desek o dostupných možnostech.
