هیت‌سینک PCB به انتقال حرارت از یک قطعه به هوای اطراف یا شاسی کمک می‌کند. عملکرد آن به کل مسیر انتقال حرارت بستگی دارد. هیت‌سینکی که در هوای آزاد کار می‌کند، ممکن است درون یک محفظه عملکرد متفاوتی داشته باشد؛ همچنین قطعه‌ای که بیشتر حرارت خود را از سطح زیرین منتقل می‌کند، ممکن است از مسیر حرارتی برد به شاسی بیشتر از هیت‌سینکی روی سطح بالایی بهره ببرد.
مسیر حرارت را از قطعه تا هیت‌سینک پیشنهادی و از آنجا تا محیط اطراف دنبال کنید. این مسیر را در شرایط واقعی نصب، جریان هوا، محفظه و بهره‌برداری بررسی کنید.
مسیرهای خروج حرارت از قطعه را شناسایی کنید
یک قطعه می‌تواند به‌طور هم‌زمان از چند مسیر حرارت دفع کند. PCB ممکن است مسیر اصلی انتقال حرارت، مسیری کمکی یا مسیری موازی با هیت‌سینکی باشد که در جای دیگری نصب شده است. فرض نکنید تمام توان حرارتی از یک زنجیره یکسان از مواد عبور می‌کند.
سه آرایش زیر نقطه شروع مناسبی هستند:
- هیت‌سینک نصب‌شده روی قطعه: هیت‌سینک، معمولاً از طریق ماده رابط حرارتی (TIM)، با سطح مناسبی از پکیج تماس پیدا می‌کند. حرارت از پکیج و رابط عبور می‌کند، وارد هیت‌سینک می‌شود و سپس به محیط اطراف دفع می‌شود. بررسی کنید که سطح پکیج برای این کاربرد در نظر گرفته شده باشد و پکیج بتواند روش اتصال را تحمل کند.
- هیت‌سینک متصل به برد: حرارت از قطعه به مس PCB و احتمالاً از طریق ویاهای حرارتی به هیت‌سینک یا سطح خنک‌کننده دیگری که به برد متصل است منتقل می‌شود. مس، ویاها، ساختار برد و سطح تماس همگی بر این مسیر اثر می‌گذارند.
- مسیر متصل به شاسی: حرارت از طریق رابطی با پکیج یا برد و آرایش نصب، به محفظه یا شاسی می‌رسد. شاسی باید مسیر قابل قبولی برای دفع این حرارت به محیط اطراف داشته باشد؛ بزرگی فیزیکی شاسی به‌تنهایی خنک‌کاری کافی را تضمین نمی‌کند.
این رویکردها می‌توانند هم‌زمان به کار روند. برای مثال، هیت‌سینکی روی سطح بالایی ممکن است بخشی از حرارت را دفع کند، در حالی که PCB باقی حرارت را به سمت نقاط نصب نزدیک منتقل می‌کند. سهم هر مسیر با ساختار و شرایط مرزی تغییر می‌کند؛ بنابراین در نظر گرفتن مسیرها به‌صورت یک زنجیره سری ثابت می‌تواند تصمیم طراحی را به خطا ببرد.
پیش از انتخاب هیت‌سینک، داده‌های ورودی را جمع‌آوری کنید
از قطعه و شرایطی که در مجموعه با آن روبه‌رو خواهد شد شروع کنید.
منبع حرارت و توان تلفاتی. هر قطعه مرتبطِ تولیدکننده حرارت و توان تلفاتی آن را در پروفایل کاری مشخص کنید. توان الکتریکی ورودی لزوماً برابر با حرارت تولیدشده در قطعه نیست: توان تحویلی به بخش‌های دیگر و سایر رفتارهای خاص قطعه را لحاظ کنید. شرایط اوج، کارکرد مداوم و چرخه کاری را ثبت کنید؛ منابع مجاوری را نیز که می‌توانند همان برد یا هوا را گرم کنند در نظر بگیرید.
حد دما و مرجع. دمای مجاز پیوند نیمه‌هادی یا حد دمای نقطه اندازه‌گیری مشخص‌شده را از مستندات مربوط به قطعه تعیین کنید و هر حاشیه اطمینان موردنیاز پروژه را نیز در نظر بگیرید. ثبت کنید که دما را واقعاً در کجا می‌توان اندازه گرفت. دمای سطح بالایی پکیج، دمای برد و دمای محیط قابل جایگزینی با یکدیگر نیستند.
اطلاعات پکیج و مشخصات حرارتی. تعیین کنید حرارت از کدام نقاط می‌تواند وارد پکیج یا از آن خارج شود و کدام شاخص‌های حرارتی برای تخمین موردنظر کاربرد دارند. ساختار پکیج، پدهای نمایان و چیدمان برد توصیه‌شده توسط سازنده قطعه می‌توانند تعیین کنند که آیا رویکرد نصب هیت‌سینک روی قطعه یا اتصال آن به برد قابل اتکاست یا خیر.
محیط و محفظه. بدترین دمای محیط محتمل را در محل کارکرد مجموعه تعریف کنید. در نظر بگیرید گرم‌شدن محفظه، قطعات مجاور و محدودیت دریچه‌ها چگونه بر هوای رسیده به هیت‌سینک اثر می‌گذارند. دمای محیط برای محاسبه یا آزمون باید به‌صورت سازگار تعریف شود؛ دمای اتاق خارج از یک محفظه بسته لزوماً برابر با دمای هوای اطراف قطعه نیست.
فضا، جریان هوا و جهت قرارگیری. حجم موجود برای هیت‌سینک، رابط حرارتی و قطعات نصب را ثبت کنید. نواحی ممنوعه، دسترسی برای مونتاژ و مسیرهای جریان هوا را نیز لحاظ کنید. جهت قرارگیری می‌تواند بر همرفت طبیعی اثر بگذارد و فن‌ها، موانع نزدیک و بازچرخش هوا نیز می‌توانند جریان هوای اجباری را تغییر دهند. مشخصه منتشرشده هیت‌سینک به شرایط آزمون سازنده وابسته است؛ این شرایط ممکن است با شرایط مجموعه نصب‌شده تفاوت قابل توجهی داشته باشند.
محدودیت‌های نصب و الکتریکی. سطوح مجاز برای اتصال، نیازهای عایق‌کاری الکتریکی، فواصل مجاز و بارهای مکانیکی قابل تحمل را مشخص کنید. تصمیم بگیرید آیا برد یا پکیج برای تحمل نیروهای نصب و جابه‌جایی به تکیه‌گاه نیاز دارد یا خیر. بهترین تماس حرارتی نیز در صورتی که نصب موجب خطای الکتریکی شود یا به مجموعه تنش وارد کند، مفید نخواهد بود.
بودجه حرارتی را بدون اختلاط شاخص‌ها تنظیم کنید
بودجه حرارتی توان تلفاتی را به افزایش دمای قابل تحمل در طراحی مرتبط می‌کند. برای شروع، دمای مرجع مربوط را از دمای مجاز پیوند یا نقطه اندازه‌گیری کم کنید. حاصل، افزایش دمای مجاز برای شرایط انتخاب‌شده است. سپس طراحی باید در توان تلفاتی محتملِ حین کار، مسیر حرارتی‌ای فراهم کند که دمای قطعه را در این محدوده نگه دارد.
برای یک مسیر سریِ فرضی، می‌توان افزایش دما را با ضرب شار حرارتی در مجموع مقاومت‌های حرارتی مربوط تخمین زد. این تقریب تنها زمانی مفید است که مقاومت‌ها مسیر واقعی را توصیف کنند، شرایط مرزی آن‌ها با یکدیگر سازگار باشد و حرارت عبوری از مسیرهای موازی نیز لحاظ شده باشد. اگر PCB نیز مقدار قابل توجهی حرارت را منتقل کند، مسیر پکیج به هیت‌سینک و سپس هوا لزوماً کل سیستم را نشان نمی‌دهد.
در مورد شاخص‌های حرارتی پکیج در دیتاشیت به‌ویژه دقت کنید:
- مقاومت پیوند به محیط در دیتاشیت، RθJA، را با مقاومت جداگانه مسیر هیت‌سینک جمع نکنید. RθJA منعکس‌کننده یک برد آزمون و محیط مشخص است و می‌تواند با ساختار برد، جریان هوا و شرایط اطراف به‌شدت تغییر کند. افزودن مسیر هیت‌سینک به آن، چنان‌که گویی مقاومتی مربوط فقط به پکیج است، می‌تواند باعث احتساب مضاعف یا نمایش نادرست جریان حرارت شود.
- شاخص psi را مقاومت حرارتی تلقی نکنید. پارامتر مشخصه‌یابی حرارتی، تخمین دمای پیوند را در شرایط تعریف‌شده خود به یک اندازه‌گیری مرجع مشخص مرتبط می‌کند؛ این پارامتر را نمی‌توان در یک شبکه سری دلخواه به جای مقاومت به کار برد.
- هر شاخص را با دمای مرجع و تعریف مربوط به آن تطبیق دهید. مقداری که برای یک نقطه اندازه‌گیری یا شرایط آزمون مشخص در نظر گرفته شده است، نباید بدون راهنمایی سازنده برای نقطه یا شرایط دیگری به کار رود.
منبع Texas Instruments با عنوان Semiconductor and IC Package Thermal Metrics، SPRA953D، وابستگی شاخص‌های پکیج به شرایط آزمون و تفاوت میان مقاومت و پارامترهای مشخصه‌یابی را توضیح می‌دهد. برای اندازه‌گیری و مدل‌سازی از راهنمای سازنده قطعه استفاده کنید. تخمین ابزاری برای ارزیابی اولیه است؛ وقتی سهم مسیرهای جریان حرارت یا شرایط مرزی نامشخص باشد، تخمین عملکرد مجموعه نصب‌شده را اثبات نمی‌کند.
مسیر حرارتی سمت برد را طراحی کنید
مس می‌تواند حرارت را از قطعه دور کرده و به سمت هیت‌سینک، محل تماس با شاسی یا ناحیه دیگری از برد پخش کند. اثربخشی آن به هندسه مس موجود، اتصال لایه‌ها، منابع حرارتی مجاور و محل خروج حرارت از مجموعه بستگی دارد. یک ناحیه مسی بزرگ که درون محفظه‌ای گرم محصور شده است، ممکن است حرارت را پخش کند، بی‌آنکه مقدار کافی از آن را دفع کند.
ویاهای حرارتی می‌توانند نواحی مسی لایه‌های مختلف را به هم متصل کنند و به انتقال حرارت از پد نمایان یا محل تماس دیگر قطعه کمک کنند. سهم آن‌ها به کل ساختار لایه‌ها و جزئیات ساخت بستگی دارد. افزایش تعداد ویاها بهبود خطی را تضمین نمی‌کند: عامل محدودکننده ممکن است در عوض رابط پکیج، پخش حرارت در مس، تماس برد با هیت‌سینک یا دفع حرارت در خارج از برد باشد.
برای گزینه‌های ساخت برد، صفحه انتخاب PCB با قابلیت انتقال حرارتی بالا از APTPCB را ببینید. در مواردی که ویاها داخل یک پد قابل لحیم‌کاری قرار می‌گیرند، راهنمای ساخت ویا در پد تصمیم‌های مرتبط با ساخت و مونتاژ را توضیح می‌دهد.
چیدمان را با الزامات ساخت و مونتاژ هماهنگ کنید:
- مشخص کنید ویاها کدام لایه‌های مسی را به هم متصل می‌کنند و آیا این اتصال‌ها از نظر الکتریکی مجازند یا خیر. پد حرارتی یا محل تماس با شاسی ممکن است پتانسیل الکتریکی مشخصی داشته باشد یا به عایق‌کاری نیاز داشته باشد.
- محل ویاها را نسبت به پدهای قابل لحیم‌کاری مستند کنید. ویاهای داخل یا نزدیک پد می‌توانند هنگام مونتاژ لحیم را به درون خود بکشند و بر اتصال اثر بگذارند. به‌جای فرض اینکه همه ویاها با مس پر شده‌اند یا به روش دیگری بسته شده‌اند، با مسئولان ساخت و مونتاژ درباره روش مناسب توافق کنید.
- سطح قابل لحیم‌کاری و جزئیات اتصال موردنیاز قطعه را حفظ کنید. تغییرات حرارتی نباید عملکرد الکتریکی یا قابلیت ساخت پد را مختل کنند.
- پیش از انتشار طرح، ساختار لایه‌ها، ویژگی‌های مسی و جزئیات ویاها را با فرایند موردنظر بررسی کنید. نقشه‌ای که فقط می‌گوید «ویاهای حرارتی اضافه شود»، تصمیم‌های مهمی را تعیین‌نشده باقی می‌گذارد.
- نحوه تکیه‌گاه برد در محل تماس با هیت‌سینک یا شاسی را در نظر بگیرید. رابط حرارتی نمی‌تواند خمش بیش‌ازحد برد، هم‌راستایی نامناسب یا از دست رفتن تماس هنگام نصب را جبران کند.
سند AN11753 از NXP درباره ویا و هیت‌سینک برای یک قطعه مشخص راهنمایی می‌دهد. سند TIDA030 از Texas Instruments نیز یک مسیر حرارتی مختص قطعه را نشان می‌دهد. راهنمایی‌های آن‌ها را برای قطعات و شرایطی که پوشش می‌دهند به کار ببرید، نه اینکه ابعاد یا عملکرد آن‌ها را عمومی فرض کنید.
رابط حرارتی و نصب را با یکدیگر هماهنگ کنید
هیت‌سینک باید با سطحی که قرار است خنک کند، تماسی تکرارپذیر داشته باشد. TIM ناهمواری‌های میان سطوح تماس را پر می‌کند، اما رفتار آن پس از نصب به ماده انتخاب‌شده، سطح تماس، ضخامت لایه رابط و شرایط نصب بستگی دارد. نقشه باید نحوه اعمال یا نصب رابط را مشخص کند، نه اینکه فقط نام یک خانواده از مواد را ذکر کند.
تختی و تلرانس‌های پکیج، برد، هیت‌سینک و هر محل تماس با شاسی را بررسی کنید. تعیین کنید قطعات نصب چگونه تماس را برقرار می‌کنند و آیا بار را به محل‌هایی وارد می‌کنند که پکیج و برد بتوانند با ایمنی تحمل کنند یا خیر. مهار مکانیکی، دسترسی برای نصب و هر تکیه‌گاه لازم برای جلوگیری از خمش را لحاظ کنید. به فشار تماس یا ضخامت لایه رابطی که مجموعه نمی‌تواند به‌طور پایدار ایجاد کند، اتکا نکنید.
عایق‌کاری الکتریکی می‌تواند رابط دیگری به مسیر اضافه کند. هرجا عایق‌کاری لازم است، کل رابط و آرایش نصب را در برابر الزامات حرارتی و الکتریکی، از جمله فواصل مجاز و خود قطعات نصب، ارزیابی کنید. لایه عایق جایگزین تأیید طراحی مونتاژشده نیست.
برای بررسی دقیق‌تر انتخاب مواد، انتخاب ماده رابط حرارتی را ببینید. برای ملاحظات نوری، نصب و حرارتی ویژه LED، به مدیریت حرارتی PCB برای LEDها مراجعه کنید.
مقایسه فرضی: هیت‌سینک بالایی یا مسیر برد به شاسی؟
سناریوی فرضی: یک طراح در حال ادغام یک قطعه قدرت غیر LED در مجموعه‌ای محصور است. بالای پکیج مقداری فضا وجود دارد و بخشی از برد نزدیک سطح نصب روی شاسی است. هم نصب هیت‌سینک روی قطعه و هم مسیر برد به شاسی از نظر مکانیکی ممکن به نظر می‌رسند. هیچ نتیجه‌ای درباره خنک‌کاری فرض نشده است.
هیت‌سینک نصب‌شده روی قطعه گزینه مناسبی برای بررسی است، مشروط بر اینکه مستندات قطعه انتقال حرارت از سطح پکیج را تأیید کنند، هیت‌سینک بدون آسیب به پکیج قابل مهار باشد و جریان هوای مؤثری به آن برسد. طراح باید همچنین بررسی کند که محفظه فضای کافی پیرامون پره‌ها باقی می‌گذارد و آیا قطعات مجاور هوا را پیش از رسیدن به هیت‌سینک گرم یا مسیر آن را مسدود می‌کنند یا خیر.
مسیر برد به شاسی گزینه مناسبی برای بررسی است، مشروط بر اینکه پکیج بتواند حرارت را به‌طور مؤثر به PCB منتقل کند، ساختار لایه‌ها و مس بتوانند آن را به سمت محل تماس ببرند و رابط با شاسی عملی باشد. طراح باید تکیه‌گاه برد، تلرانس‌های رابط، عایق‌کاری الکتریکی و نحوه دفع حرارت شاسی در محیط نصب‌شده را بررسی کند.
هیچ‌یک از دو گزینه نباید صرفاً به دلیل داشتن فلز قابل مشاهده بیشتر انتخاب شود. ممکن است پکیج یک مسیر را ترجیح دهد، در حالی که شرایط محفظه یا محدودیت‌های مونتاژ به نفع مسیر دیگر باشند. اگر هر مسیر از نظر مکانیکی و الکتریکی سازگار باشد، ارزیابی رویکرد ترکیبی نیز می‌تواند ارزشمند باشد.
چک‌لیست شواهد برای تصمیم‌گیری:
- توان تلفاتی قطعه در پروفایل کاری، دمای مجاز و راهنمای کاربردپذیر پکیج.
- سطوح موردنظر برای انتقال حرارت و تعاریف شاخص‌های حرارتی استفاده‌شده.
- ساختار لایه‌ها، مس و جزئیات ویاها برای گزینه متصل به شاسی.
- ابعاد و تلرانس‌های هیت‌سینک، رابط و قطعات نصب برای هر گزینه.
- جهت قرارگیری محفظه، جریان هوا و شرایط محیطی محتمل.
- برنامه اندازه‌گیری یا مدل‌سازی که هر پیکربندی نصب‌شده، از جمله مسیرهای حرارتی موازی، را بازنمایی کند.
- معیارهای پذیرش مورد توافق و مسئول رسیدگی به هرگونه نقص یا مغایرت.
مجموعه نصب‌شده را اعتبارسنجی کنید
اعتبارسنجی را برای هر دو دسته شرایط گذرا و شرایط کارکرد پایدار برنامه‌ریزی کنید. یک رویداد کوتاه با توان تلفاتی بالا می‌تواند اوج دمایی ایجاد کند که میانگین بلندمدت آن را پنهان می‌کند. برعکس، طرحی که از یک آزمون کوتاه عبور می‌کند، ممکن است در کارکرد مداوم همچنان حرارت انباشته کند. توالی کارکرد و شرط مورد استفاده برای تشخیص پایدار شدن دما را تعریف کنید؛ فرض نکنید هیچ‌یک از این آزمون‌ها جایگزین دیگری است.
نقاط اندازه‌گیری را طوری تعیین و مستند کنید که دماهای حاصل با استفاده از راهنمای مربوط به قطعه قابل تفسیر باشند. برای هر نتیجه، وضعیت کارکرد منبع حرارت، مرجع دمای محیط، پیکربندی محفظه، جهت قرارگیری، جریان هوا و شرایط نصب را ثبت کنید. هرجا دمای پیوند را نمی‌توان مستقیماً اندازه گرفت، از روش تجویزشده سازنده استفاده کنید و فرض‌ها و عدم‌قطعیت تخمین را بیان کنید.
برای اطلاعات بیشتر درباره تفسیر مشاهدات دمای سطح، تصویربرداری حرارتی PCB را ببینید.
| مشکل مشاهده‌شده | بررسی در سطح سیستم | شواهد موردنیاز |
|---|---|---|
| دمای قطعه در کارکرد مداوم افزایش می‌یابد | هوای محفظه، موانع جریان هوا، تماس هیت‌سینک و دیگر منابع حرارتی را بررسی کنید، نه فقط اندازه هیت‌سینک را | سوابق توان تلفاتی حین کار، دمای محیط و دمای موضعی، پیکربندی نصب‌شده و بازرسی تماس |
| یک رویداد کوتاه کاری اوج دما ایجاد می‌کند | توان تلفاتی و مدت واقعی، جرم حرارتی و پاسخ اندازه‌گیری را بررسی کنید | پروفایل کاری و اندازه‌گیری‌های دمای هم‌زمان، همراه با محل نقاط آزمون |
| برد نزدیک قطعه داغ است، اما محل تماس با شاسی خنک‌تر است | مسیر مس و ویا، محل تماس، انطباق رابط و تکیه‌گاه برد را بررسی کنید | ساختار لایه‌ها و چیدمان، ابعاد رابط، شواهد تماس پس از مونتاژ و دما در نقاط تعریف‌شده |
| نتایج بین مجموعه‌ها متفاوت است | اعمال TIM، تلرانس‌ها، توالی نصب و یکنواختی جریان هوا را بررسی کنید | سوابق مونتاژ، مشخصات رابط و قطعات نصب، چیدمان آزمون و میزان تغییرات اندازه‌گیری‌شده |
پیش از شروع آزمون، مسئولی برای برنامه اعتبارسنجی تعیین کنید. او باید اطمینان حاصل کند که شرایط و معیارهای پذیرش مورد توافق قرار گرفته‌اند، نتایج در برابر حدود قطعه و پروژه بررسی می‌شوند و تغییرات تحت کنترل هستند. ممکن است مسئولان قطعه، بخش مکانیکی، PCB و مونتاژ هرکدام نیاز داشته باشند بخش متفاوتی از یک نقص را برطرف کنند. بررسی فرایند ساخت یا مونتاژ به‌تنهایی اثبات نمی‌کند که محصول نهایی الزامات حرارتی خود را برآورده می‌کند.
چک‌لیست تحویل پروژه
مسیر حرارتی موردنظر و فرض‌های آن را در بسته انتشار طرح مستند کنید تا مسئولان مربوط بتوانند تغییرات بعدی را ارزیابی کنند. موارد زیر را در آن بگنجانید:
- منابع حرارت: شناسه قطعات، توان تلفاتی، وضعیت‌های کاری و پروفایل چرخه کاری، همراه با منبع هر فرض.
- حدود قطعه: دمای مجاز پیوند یا نقطه اندازه‌گیری، راهنمای انتقال حرارت پکیج، تعاریف شاخص‌های حرارتی و دماهای مرجع آن‌ها.
- مسیر PCB: ساختار لایه‌ها، هندسه مس، جزئیات پد و ویا، اتصال‌های الکتریکی و هر الزام ساخت یا مونتاژ مؤثر بر لحیم یا تماس.
- هیت‌سینک و رابط: ابعاد، سطوح تماس، مشخصات TIM، ضخامت موردنظر لایه رابط، روش نصب، تختی و تلرانس‌های مونتاژ.
- محدودیت‌های الکتریکی و مکانیکی: عایق‌کاری، فواصل مجاز، قطعات نصب، تکیه‌گاه برد، بارهای نصب و الزامات دسترسی.
- محیط: پیکربندی محفظه، جهت قرارگیری، جریان هوا، محل‌های تماس با شاسی و شرایط محیطی محتمل.
- اعتبارسنجی: نقاط آزمون، توالی کارکرد، شرایط گذرا و مداوم، معیارهای پذیرش، روش اندازه‌گیری و مسئول مربوط.
- کنترل تغییرات: اینکه جایگزینی کدام هیت‌سینک، TIM، قطعات نصب، برد، محفظه یا جریان هوا به بازبینی و اعتبارسنجی مجدد نیاز دارد و چه کسی آن را تأیید می‌کند.
هنگام گفت‌وگو با APTPCB درباره برد، منابع حرارت و توان تلفاتی، ساختار لایه‌ها و جزئیات ویاها، و رابط‌های هیت‌سینک و مونتاژ را به اشتراک بگذارید. با APTPCB تماس بگیرید یا درخواست قیمت کنید و الزامات اعتبارسنجی را نیز ارائه دهید. دامنه هرگونه مونتاژ هیت‌سینک یا آزمون حرارتی را برای پروژه خود تأیید کنید.