पीसीबी थर्मल विश्लेषण और थर्मल डिजाइन तकनीक

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पीसीबी थर्मल विश्लेषण और थर्मल डिजाइन तकनीक

1. पीसीबी ताप का स्रोत

उपयोगी कार्य के अलावा, ऑपरेशन के दौरान पावर एडॉप्टर द्वारा खपत की गई बिजली का एक हिस्सा गर्मी में परिवर्तित हो जाता है। पावर एडॉप्टर द्वारा उत्पन्न गर्मी के कारण आंतरिक तापमान तेजी से बढ़ता है। यदि गर्मी को समय पर नष्ट नहीं किया गया, तो तापमान बढ़ता रहेगा, और अधिक गर्म होने के कारण घटक विफल हो जाएंगे, और पावर एडाप्टर की विश्वसनीयता कम हो जाएगी। एसएमटी पावर एडॉप्टर घटकों के बढ़ते घनत्व को बढ़ाता है, प्रभावी गर्मी अपव्यय क्षेत्र को कम करता है, और पावर एडाप्टर का तापमान बढ़ने से विश्वसनीयता गंभीर रूप से प्रभावित होती है। इसलिए, पावर एडॉप्टर पीसीबी के थर्मल डिज़ाइन पर शोध बहुत महत्वपूर्ण है। पावर एडॉप्टर पीसीबी के तापमान में वृद्धि का सीधा कारण सर्किट पावर घटकों के अस्तित्व के कारण है, इलेक्ट्रॉनिक घटकों में बिजली की खपत की अलग-अलग डिग्री होती है, और गर्मी की तीव्रता बिजली की खपत के साथ भिन्न होती है। पीसीबी में तापमान वृद्धि की दो घटनाएं हैं: 1 स्थानीय तापमान वृद्धि या बड़े क्षेत्र का तापमान वृद्धि; 2 अल्प समय तापमान वृद्धि या दीर्घ समय तापमान वृद्धि।

पावर एडॉप्टर पीसीबी में गर्मी के तीन मुख्य स्रोत हैं: इलेक्ट्रॉनिक घटकों की गर्मी, पीसीबी की गर्मी, और अन्य भागों से आने वाली गर्मी। तीन ऊष्मा स्रोतों में से, घटक सबसे अधिक मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न करता है, जो मुख्य ऊष्मा स्रोत है, इसके बाद पीसीबी द्वारा उत्पन्न ऊष्मा होती है। बाहरी ताप इनपुट पावर एडाप्टर के समग्र थर्मल डिज़ाइन पर निर्भर करता है।

घटकों का ताप उत्पादन उनकी बिजली खपत से निर्धारित होता है। इसलिए, गर्मी उत्पादन को कम करने के लिए डिजाइन में कम बिजली खपत वाले घटकों को पहले चुना जाना चाहिए। दूसरा घटक के कार्य बिंदु की सेटिंग है। आम तौर पर, इसे इसकी रेटेड कार्य सीमा के भीतर चुना जाना चाहिए। इस रेंज में काम करने पर प्रदर्शन अच्छा होता है, बिजली की खपत कम होती है और सेवा जीवन लंबा होता है। बिजली उपकरण स्वयं बड़ी मात्रा में गर्मी उत्पन्न करता है, और इसे पूर्ण लोड संचालन से बचने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए। उच्च-शक्ति उपकरणों के लिए, व्युत्पन्न डिज़ाइन के सिद्धांत को लागू किया जाना चाहिए, और डिज़ाइन समृद्धि को उचित रूप से बढ़ाया जाना चाहिए, जो पावर एडाप्टर की स्थिरता, विश्वसनीयता और गर्मी उत्पादन को बढ़ाने के लिए फायदेमंद है।

पीसीबी एक तांबे के कंडक्टर और एक इन्सुलेट ढांकता हुआ सामग्री से बना है, और यह आमतौर पर माना जाता है कि इन्सुलेट ढांकता हुआ सामग्री गर्मी उत्पन्न नहीं करती है। तांबे के कंडक्टर का प्रतिरोध तांबे के कारण ही होता है। जब करंट प्रवाहित होगा तो यह ऊष्मा उत्पन्न करेगा। जब mA (मिलीएम्पियर) और μA (माइक्रोएम्पियर) का छोटा करंट प्रवाहित किया जाता है, तो हीटिंग की समस्या नगण्य होती है, लेकिन जब करंट अधिक (100 mA या अधिक) पास होता है, तो आप इसे अनदेखा नहीं कर सकते। यह ध्यान देने योग्य है कि जब तांबे के कंडक्टर का तापमान 85 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है, तो इन्सुलेशन सामग्री स्वयं पीली पड़ने लगती है, करंट प्रवाहित होता रहता है और अंत में तांबे का कंडक्टर उड़ जाता है। विशेष रूप से, मल्टीलेयर पीसीबी की आंतरिक परत में तांबे का कंडक्टर खराब गर्मी चालकता वाले राल से घिरा होता है, और गर्मी अपव्यय मुश्किल होता है, इसलिए तापमान अनिवार्य रूप से बढ़ जाता है, इसलिए तांबे की लाइन चौड़ाई डिजाइन पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए कंडक्टर. वास्तव में, पीसीबी लेआउट को डिजाइन करते समय, ट्रेस चौड़ाई मुख्य रूप से गर्मी उत्पादन और गर्मी अपव्यय वातावरण द्वारा निर्धारित की जाती है। तांबे के कंडक्टर का क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र तार प्रतिरोध को निर्धारित करता है (डिजिटल सर्किट में लाइन प्रतिरोध के कारण सिग्नल हानि नगण्य है), और तांबे के कंडक्टर और इन्सुलेटिंग सब्सट्रेट की थर्मल चालकता तापमान वृद्धि को प्रभावित करती है, जो बदले में वर्तमान वहन क्षमता निर्धारित करता है। उदाहरण के लिए, तांबे के कंडक्टर का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र स्थिर है। जब स्वीकार्य वर्तमान मान 2A है और तापमान वृद्धि मान 10 डिग्री C से कम है, तो लाइन की चौड़ाई 35 μm कॉपर फ़ॉइल के लिए 2 मिमी और 70 μm कॉपर फ़ॉइल के लिए 1 मिमी डिज़ाइन की जानी चाहिए। . यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि जब तांबे के कंडक्टर का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र, स्वीकार्य वर्तमान और तापमान वृद्धि मूल्य स्थिर होते हैं, तो गर्मी अपव्यय आवश्यकता को तांबे की पन्नी की मोटाई बढ़ाने या लाइन की चौड़ाई बढ़ाने के दो पहलुओं से संतुष्ट किया जा सकता है। तांबे का कंडक्टर.

2. सर्किट थर्मल विश्लेषण

सर्किट थर्मल विश्लेषण को तीन चरणों में विभाजित किया गया है: पहले घटक में उत्पन्न गर्मी का अनुमान लगाना, फिर पीसीबी या हीट सिंक द्वारा उत्सर्जित गर्मी का अनुमान लगाना, और अंत में परिवेश के तापमान का अनुमान लगाना जिस पर घटक संचालित होगा। पीसीबी या हीट सिंक संवहन, चालन या विकिरण द्वारा घटक की गर्मी को नष्ट कर देगा। प्रवाहकीय ताप अपव्यय मुख्य रूप से पावर डिवाइस चिप मेटल लेड फ्रेम और पीसीबी पर तांबे की पन्नी के ताप संचालन के माध्यम से होता है। एक बार जब पीसीबी कॉपर फ़ॉइल या असतत हीट सिंक गर्मी का संचालन करता है, तो यह हवा में गर्मी फैलाने के लिए संवहन गर्मी अपव्यय के लिए पर्याप्त बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करता है।

संवहन ताप अपव्यय में भी कुछ कठिनाइयाँ हैं। उच्च तापमान पर, तापीय प्रतिरोध बढ़ जाता है। इस कारण से, थर्मल प्रतिरोध का उपयोग थर्मल विश्लेषण पैरामीटर के रूप में किया जाता है। यदि जंक्शन से बाहर तक थर्मल प्रतिरोध आरजेए घटक डेटा में दिया गया है, तो मान तापमान वृद्धि को इंगित करता है जब घटक हीट सिंक से जुड़ा नहीं होता है या पीसीबी से जुड़ा नहीं होता है। थर्मल डिज़ाइन में मुख्य थर्मल प्रतिरोध चिप से पीसीबी तक थर्मल प्रतिरोध आरजेबी और चिप से पैकेज सतह तक थर्मल प्रतिरोध आरजेसी है। आरजेए को दो जेईडीईसी मानक पीसीबी के साथ मापा जा सकता है, एक सिंगल-साइडेड पीसीबी के लिए और दूसरा मल्टीलेयर पीसीबी के लिए। यदि आपके पास आरजेबी और आरजेसी विनिर्देश हैं, तो आप घटक के वास्तविक तापमान वृद्धि का अनुमान लगा सकते हैं। आरजेए को मापते समय, पीसीबी पर कोई अन्य चिप्स नहीं होते हैं। जब घटकों के आसपास बिजली की आपूर्ति और अन्य गर्मी फैलाने वाले चिप्स होते हैं, और जब पीसीबी सीमित स्थान के साथ पंखे रहित प्लास्टिक के मामले में होता है, तो वास्तविक तापमान वृद्धि आरजेए माप से अधिक होगी। मूल्य इसलिए है क्योंकि अधिकांश घटकों के प्लास्टिक पैकेज की ऊपरी सतह लगभग कोई गर्मी संचारित नहीं करती है। एपॉक्सी रेजिन की तापीय चालकता 0.6 ~ 1W / (m · K) (वाट प्रति मीटर केल्विन) है, जबकि तांबे की तापीय चालकता 400W / (m·K) है। इसलिए, तांबे की तापीय चालकता प्लास्टिक की तुलना में 400 से 600 गुना अधिक है।

थर्मल विश्लेषण में अंतिम चरण परिवेश के तापमान का अनुमान लगाना है, जो महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, प्रयोगशाला में हवा का तापमान 25 डिग्री सेल्सियस है और बेंच पर लगी चिप 50 डिग्री सेल्सियस पर काम कर रही है। जब इन चिप्स को 50 डिग्री सेल्सियस के परिवेश के तापमान पर रखा जाता है, तो चिप का तापमान 75 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाएगा। परिवेश के तापमान चरण के अनुमान में, कभी-कभी उन पर्यावरणीय स्थितियों को निर्धारित करना असंभव होता है जिनमें घटक काम कर सकता है।

पीसीबी थर्मल पावर खपत का विश्लेषण करते समय, इसका विश्लेषण आम तौर पर निम्नलिखित पहलुओं से किया जाता है।

(1) विद्युत ऊर्जा खपत, यानी पीसीबी के प्रति यूनिट क्षेत्र में बिजली की खपत और पीसीबी पर बिजली की खपत।

(2) पीसीबी की संरचना, यानी पीसीबी का आकार और सामग्री।

(3) पीसीबी माउंटिंग विधि (जैसे ऊर्ध्वाधर स्थापना, क्षैतिज स्थापना), सीलिंग की स्थिति और आवास से दूरी।

(4) थर्मल विकिरण, यानी पीसीबी सतह की उत्सर्जन क्षमता, पीसीबी और आसन्न सतह के बीच तापमान का अंतर और उनका पूर्ण तापमान।

(5) ताप संचालन, यानी रेडिएटर और अन्य बढ़ते संरचनात्मक घटकों का संचालन।

(6) थर्मल संवहन, यानी प्राकृतिक संवहन और मजबूर शीतलन संवहन।

उपरोक्त कारकों का विश्लेषण पीसीबी तापमान वृद्धि को हल करने का एक प्रभावी तरीका है। अक्सर किसी उत्पाद और प्रणाली में, ये कारक परस्पर संबंधित और निर्भर होते हैं। अधिकांश कारकों का विश्लेषण वास्तविक स्थिति के अनुसार किया जाना चाहिए। केवल एक विशिष्ट वास्तविक स्थिति के लिए तापमान वृद्धि और बिजली की खपत जैसे मापदंडों की सही गणना या अनुमान लगाया जा सकता है।

3. पीसीबी थर्मल डिजाइन के लिए बुनियादी आवश्यकताएं

पीसीबी डिजाइन करते समय, विशेष रूप से सतह माउंट पीसीबी डिजाइन के लिए, सामग्री के थर्मल विस्तार गुणांक मिलान समस्या पर पहले विचार किया जाना चाहिए। घटकों के लिए तीन प्रकार के पैकेज सब्सट्रेट हैं: कठोर कार्बनिक पैकेज सब्सट्रेट, लचीला कार्बनिक पैकेज सब्सट्रेट और सिरेमिक पैकेज सब्सट्रेट। सब्सट्रेट को चार तरीकों से पैक किया जाता है: मोल्डिंग तकनीक, मोल्डेड सिरेमिक तकनीक, लेमिनेटेड सिरेमिक तकनीक और लेमिनेटेड प्लास्टिक। सब्सट्रेट के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री मुख्य रूप से उच्च तापमान वाले एपॉक्सी राल, बीटी राल, पॉलीमाइड, सिरेमिक और दुर्दम्य ग्लास हैं। इन सामग्रियों में X और Y दिशाओं में उच्च तापमान प्रतिरोध और कम तापीय विस्तार गुणांक होते हैं। पीसीबी सामग्री का चयन करते समय, आपको घटक के पैकेज फॉर्म और सब्सट्रेट की सामग्री को समझना चाहिए, और घटक सोल्डरिंग प्रक्रिया की तापमान भिन्नता सीमा पर विचार करना चाहिए। सामग्री के थर्मल विस्तार गुणांक में अंतर के कारण होने वाले थर्मल तनाव से मेल खाने के लिए थर्मल विस्तार गुणांक के साथ सब्सट्रेट का चयन करें। .

कई घटक सिरेमिक पैकेज सब्सट्रेट का उपयोग करते हैं, इसका थर्मल विस्तार गुणांक आमतौर पर (5 ~ 7) × 10-6 / डिग्री सी होता है, सीसा रहित सिरेमिक चिप वाहक एलसीसीसी का थर्मल विस्तार गुणांक (3.5 ~ 7 ~ 8) × {{7) होता है }} / डिग्री । कुछ घटक सब्सट्रेट कुछ पीसीबी सब्सट्रेट जैसे पीआई, बीटी और गर्मी प्रतिरोधी एपॉक्सी के समान सामग्री का उपयोग करते हैं। पीसीबी के सब्सट्रेट का चयन करते समय, सब्सट्रेट के थर्मल विस्तार गुणांक को घटक सब्सट्रेट की सामग्री के थर्मल विस्तार गुणांक के जितना संभव हो उतना करीब माना जाना चाहिए।

पीसीबी के कंडक्टर में प्रवाहित धारा के कारण तापमान में वृद्धि होती है, और परिवेश का तापमान 125 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं होना चाहिए (चयनित सब्सट्रेट के आधार पर विशिष्ट मान सामान्य हैं)। चूंकि घटक पीसीबी पर लगे होते हैं और गर्मी का एक हिस्सा भी उत्सर्जित करते हैं जो पीसीबी के ऑपरेटिंग तापमान को प्रभावित करता है, पीसीबी सामग्री और पीसीबी डिजाइन का चयन करते समय इन कारकों पर विचार किया जाना चाहिए। हॉट स्पॉट का तापमान 125 डिग्री से अधिक नहीं होना चाहिए। पीसीबी सब्सट्रेट को यथासंभव मोटी तांबे की पन्नी के साथ चुना जाना चाहिए। विशेष मामलों में, एल्यूमीनियम बेस या सिरेमिक बेस जैसे छोटे थर्मल प्रतिरोध वाले सब्सट्रेट का चयन किया जा सकता है, और मल्टीलेयर संरचना पीसीबी के थर्मल डिजाइन में भी योगदान देती है।

वर्तमान में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले पीसीबी सब्सट्रेट कॉपर-क्लैड एपॉक्सी ग्लास क्लॉथ सब्सट्रेट या फेनोलिक रेजिन ग्लास क्लॉथ सब्सट्रेट हैं, और थोड़ी मात्रा में पेपर-आधारित कॉपर-क्लैड सब्सट्रेट हैं। हालाँकि इन सबस्ट्रेट्स में उत्कृष्ट विद्युत गुण और प्रसंस्करण गुण हैं, लेकिन उनमें गर्मी अपव्यय कम है। उच्च-गर्मी पैदा करने वाले घटकों के लिए गर्मी-खत्म करने वाले साधन के रूप में, इससे पीसीबी के राल से गर्मी का संचालन करने की उम्मीद नहीं की जाती है, लेकिन घटकों की सतह से गर्मी को आसपास की हवा में फैलाने की उम्मीद की जाती है। हालाँकि, जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक उत्पाद लघुकरण, उच्च-घनत्व माउंटिंग और उच्च-ताप ​​असेंबली के युग में प्रवेश करते हैं, यह बहुत छोटे घटक सतह क्षेत्र द्वारा गर्मी को नष्ट करने के लिए पर्याप्त नहीं है। साथ ही, क्यूएफपी और बीजीए जैसे सतह माउंट घटकों की बड़ी संख्या के कारण, घटकों द्वारा उत्पन्न गर्मी बड़ी मात्रा में पीसीबी में स्थानांतरित हो जाती है। इसलिए, गर्मी अपव्यय को हल करने का सबसे अच्छा तरीका गर्मी पैदा करने वाले घटकों के सीधे संपर्क में पीसीबी की गर्मी अपव्यय क्षमता में सुधार करना है। पीसीबी का संचालन या उत्सर्जन किया जाता है।

4. पीसीबी थर्मल डिजाइन

पीसीबी थर्मल डिज़ाइन में तीन उपाय हैं: बिजली में कमी, गर्मी अपव्यय और लेआउट। ऊष्मा को कम करने का उद्देश्य ऊष्मा उत्पन्न करना नहीं है; ऊष्मा अपव्यय का उद्देश्य ऊष्मा का संचालन या अपव्यय करना है, जो घटकों को प्रभावित नहीं करता है; लेआउट यह है कि यदि गर्मी नष्ट नहीं होती है, तो गर्मी संवेदनशील घटकों को लेआउट द्वारा अलग किया जा सकता है। खपत कम करना सबसे बुनियादी समाधान है. व्युत्पन्न और कम-शक्ति डिज़ाइन के लिए दो मुख्य दृष्टिकोण हैं, लेकिन उन्हें विशिष्ट डिज़ाइनों के साथ संयोजन में विश्लेषण करने की आवश्यकता है। घटकों का चयन करते समय, कम गर्मी पैदा करने वाले घटकों का उपयोग करने का प्रयास करें, जैसे चिप रेसिस्टर्स, वायरवाउंड रेसिस्टर्स (कम कार्बन फिल्म रेसिस्टर्स), मोनोलिथिक कैपेसिटर, टैंटलम कैपेसिटर (कम पेपर कैपेसिटर), एमओएस, सीएमओएस सर्किट (कम इस्तेमाल किए गए) ट्यूब), सतह माउंट उपकरण, आदि। कम-शक्ति वाले घटकों का चयन करने के अलावा, तापमान मुआवजा और कुछ तापमान-संवेदनशील विशेष घटकों का नियंत्रण भी समाधानों में से एक है।

डेरेटिंग को खपत कम करने के तरीकों पर विचार करने की जरूरत है। मान लीजिए कि एक पतला तार नाममात्र रूप से 10A धारा प्रवाहित करने में सक्षम है। करंट इस पर अधिक गर्मी उत्पन्न करता है और मार्जिन बढ़ाने के लिए तार को मोटा किया जाता है। इसे नाममात्र रूप से 20A से पारित किया जाता है। जब धारा 10A से प्रवाहित की जाती है, तो आंतरिक प्रतिरोध के कारण होने वाली गर्मी की हानि कम हो जाती है और गर्मी कम होती है। इसके अलावा, व्युत्पन्न डिज़ाइन के कारण, जब परिवेश का तापमान बढ़ता है, ऐसे मामले में जहां घटक का प्रदर्शन ख़राब हो जाता है, मार्जिन के कारण, भले ही प्रदर्शन ख़राब हो, आवश्यकता को पूरा किया जा सकता है। दी गई शर्तों के तहत, जब सर्किट में घटकों का तापमान विश्वसनीयता की गारंटी वाले तापमान से ऊपर बढ़ जाता है, तो तापमान को विश्वसनीयता कार्य सीमा तक कम करने के लिए उचित गर्मी अपव्यय उपाय किए जाने चाहिए, जो थर्मल डिजाइन का अंतिम लक्ष्य है।

गर्मी अपव्यय पीसीबी थर्मल डिजाइन की मुख्य सामग्री है। पीसीबी के लिए, गर्मी अपव्यय के तीन बुनियादी प्रकार हैं: थर्मल चालन, संवहन और विकिरण। तापीय चालन और संवहन ऊष्मा अपव्यय के मुख्य साधन हैं। गर्मी को नष्ट करने का सामान्य तरीका गर्मी स्रोत से गर्मी का संचालन करने और वायु संवहन द्वारा इसे खत्म करने के लिए हीट सिंक का उपयोग करना है। विकिरण ऊष्मा को नष्ट करने के लिए अंतरिक्ष में विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग है, जिसमें थोड़ी मात्रा में गर्मी अपव्यय होता है, और आमतौर पर गर्मी अपव्यय के सहायक साधन के रूप में उपयोग किया जाता है।

पीसीबी थर्मल डिज़ाइन का उद्देश्य घटकों के तापमान और पीसीबी तापमान को कम करने के लिए उचित उपाय और तरीके अपनाना है, ताकि सिस्टम सही तापमान पर ठीक से काम करे। गर्मी अपव्यय की सुविधा के दृष्टिकोण से, पीसीबी को अधिमानतः सीधा खड़ा किया जाता है, और पीसीबी और पीसीबी के बीच की दूरी आम तौर पर 2 सेमी से कम नहीं होती है।