Радиатор для печатной платы помогает отводить тепло от компонента в окружающий воздух или на шасси. Его эффективность зависит от всего пути теплопередачи. Радиатор, который хорошо работает на открытом воздухе, может вести себя иначе внутри корпуса. А для прибора, отдающего большую часть тепла через нижнюю поверхность, путь отвода тепла от платы к шасси может оказаться полезнее радиатора, установленного сверху.
Проследите путь тепла от прибора к предполагаемому радиатору и далее в окружающую среду. Проверьте этот путь с учетом фактического крепления, воздушного потока, корпуса и условий эксплуатации.
Определите пути отвода тепла от прибора
Компонент может отдавать тепло одновременно по нескольким путям. Печатная плата может быть основным, вспомогательным или параллельным путем отвода тепла наряду с радиатором, закрепленным в другом месте. Не следует считать, что вся рассеиваемая мощность проходит через одну и ту же последовательность материалов.
В качестве отправной точки полезно рассмотреть три схемы:
- Радиатор, установленный на приборе: радиатор контактирует с подходящей поверхностью корпуса прибора, как правило, через теплопроводящий интерфейсный материал (TIM). Тепло проходит через корпус и интерфейс в радиатор, а затем отводится в окружающую среду. Проверьте, предназначена ли поверхность корпуса для такого применения и допустим ли выбранный способ крепления.
- Радиатор, связанный с платой: тепло передается от прибора в медные элементы печатной платы, возможно через теплопроводящие переходные отверстия, а затем в радиатор или на другую охлаждающую поверхность, контактирующую с платой. На этот путь влияют медные элементы, переходные отверстия, конструкция платы и площадь контакта.
- Путь отвода тепла к шасси: тепло передается на корпус или шасси через интерфейс с корпусом прибора или платой и соответствующее крепление. У шасси должен быть реальный путь отвода этого тепла в окружающую среду; сам по себе большой размер не гарантирует достаточного охлаждения.
Эти подходы могут сочетаться. Например, радиатор сверху может отводить часть тепла, тогда как плата проводит остальное к ближайшим точкам крепления. Распределение зависит от конструкции и граничных условий, поэтому представление этих путей как одной неизменной последовательной цепочки может привести к неверному проектному решению.
Соберите исходные данные до выбора радиатора
Начните с прибора и условий, в которых он будет работать в составе изделия.
Источник тепла и рассеиваемая мощность. Определите каждый значимый тепловыделяющий компонент и его рассеиваемую мощность на протяжении рабочего профиля. Потребляемая электрическая мощность не обязательно равна теплу, выделяемому компонентом: учитывайте мощность, передаваемую в другие части системы, и другие особенности конкретного прибора. Зафиксируйте пиковые и длительные режимы, а также рабочий цикл, включая влияние соседних источников, которые могут нагревать ту же плату или воздух.
Температурный предел и опорная температура. Установите допустимую температуру перехода или заданный предел температуры в точке измерения по применимой документации на прибор, учитывая необходимый для проекта запас. Зафиксируйте места, где температуру действительно можно измерить. Измерения на верхней поверхности корпуса прибора, на плате и температуры окружающей среды не взаимозаменяемы.
Корпус прибора и тепловые характеристики. Определите, через какие поверхности тепло может поступать в корпус прибора или отводиться от него и какие тепловые параметры применимы для предполагаемой оценки. Конструкция корпуса, открытые контактные площадки и рекомендованная производителем прибора топология платы могут определять, насколько обосновано применение радиатора сверху или отвода тепла через плату.
Окружающая среда и корпус изделия. Определите наиболее неблагоприятную реалистичную температуру окружающей среды в месте эксплуатации изделия. Учитывайте, как нагрев внутри корпуса, соседние компоненты и ограниченные отверстия влияют на воздух, поступающий к радиатору. Опорную температуру окружающей среды для расчета или испытания следует задавать последовательно; температура в помещении снаружи закрытого корпуса не обязательно равна температуре воздуха вокруг прибора.
Пространство, воздушный поток и ориентация. Зафиксируйте пространство, доступное для радиатора, интерфейса и крепежа. Учтите запретные зоны, доступ при сборке и пути движения воздуха. Ориентация может влиять на естественную конвекцию, а вентиляторы, расположенные поблизости препятствия и рециркуляция — изменять принудительный воздушный поток. Опубликованная характеристика радиатора привязана к условиям испытаний производителя; они могут существенно отличаться от условий в готовом изделии.
Монтажные и электрические ограничения. Определите допустимые поверхности крепления, необходимость электрической изоляции, зазоры и допустимые механические нагрузки. Решите, нужна ли плате или корпусу прибора опора для восприятия монтажных усилий и нагрузок при обращении. Даже наилучший тепловой контакт бесполезен, если монтаж приводит к нарушению электрической работоспособности или механически нагружает изделие.
Составьте тепловой баланс, не смешивая разные параметры
Тепловой баланс связывает рассеиваемую мощность с допустимым для конструкции повышением температуры. Для первоначальной оценки вычтите соответствующую опорную температуру из допустимой температуры перехода или температуры в точке измерения. Полученная разность представляет собой допустимое повышение температуры для выбранных условий. Затем конструкция должна обеспечить такой путь отвода тепла, который удержит температуру прибора в пределах этого запаса при реалистичной рабочей рассеиваемой мощности.
Для упрощенного примера с одним последовательным путем повышение температуры можно оценить, умножив тепловой поток на сумму соответствующих тепловых сопротивлений. Это приближение полезно, только если сопротивления описывают фактический путь, их граничные условия согласованы и учтен отвод тепла по параллельным путям. Путь от корпуса прибора через радиатор в воздух не обязательно представляет всю систему, если печатная плата также отводит значительную часть тепла.
Будьте особенно внимательны к параметрам корпуса прибора в технической документации:
- Не складывайте указанное в документации тепловое сопротивление переход–окружающая среда, RθJA, с отдельным сопротивлением пути через радиатор. RθJA характеризует определенную испытательную плату и среду и может существенно меняться в зависимости от конструкции платы, воздушного потока и окружающих условий. Если прибавить к нему сопротивление пути через радиатор, считая RθJA сопротивлением только корпуса прибора, можно дважды учесть часть теплового потока или неверно его представить.
- Не считайте параметр psi тепловым сопротивлением. Параметр тепловой характеристики связывает оценку температуры перехода с результатом измерения в заданной опорной точке при определенных условиях; его нельзя использовать вместо сопротивления в произвольной последовательной тепловой цепи.
- Сопоставляйте каждый параметр с его опорной температурой и определением. Значение, предназначенное для одной точки измерения или одних условий испытания, не следует применять к другим без указаний производителя.
В документе Texas Instruments, Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, SPRA953D, объясняются зависимость тепловых параметров корпуса от условий испытаний и различие между тепловым сопротивлением и параметрами тепловой характеристики. Используйте рекомендации производителя прибора по измерениям и моделированию. Расчетная оценка служит инструментом предварительного отбора; она не подтверждает характеристики в готовом изделии, если распределение теплового потока или граничные условия неизвестны.
Спроектируйте путь теплоотвода через плату
Медные элементы могут распределять тепло от компонента в сторону радиатора, контакта с шасси или другой области платы. Их эффективность зависит от доступной геометрии меди, соединений между слоями, расположенных поблизости источников тепла и мест, через которые тепло может покидать изделие. Большая площадь меди внутри нагретого корпуса может распределять тепло, но при этом отводить его в недостаточной степени.
Теплопроводящие переходные отверстия могут соединять медные области на разных слоях и помогать отводить тепло от открытой контактной площадки или другого контакта прибора. Их вклад зависит от всей структуры слоев и особенностей изготовления. Увеличение количества отверстий не гарантирует линейного улучшения: ограничивающим звеном может оказаться интерфейс с корпусом прибора, распределение тепла по меди, контакт платы с радиатором или отвод тепла за пределы платы.
Варианты конструкции платы описаны на странице APTPCB о выборе печатных плат с высокой теплопроводностью. Если переходные отверстия расположены в паяемой площадке, в руководстве по изготовлению плат с переходными отверстиями в контактных площадках рассмотрены связанные с этим решения по изготовлению и сборке.
Согласуйте топологию с требованиями изготовления и сборки:
- Определите, какие медные слои соединяют переходные отверстия и допустимы ли эти соединения с электрической точки зрения. Теплоотводящая площадка или контакт с шасси могут иметь заданный электрический потенциал или требовать изоляции.
- Укажите расположение переходных отверстий относительно паяемых площадок. Отверстия в площадке или рядом с ней могут отводить припой при сборке, влияя на качество соединения. Согласуйте подходящий способ обработки с ответственными за изготовление и сборку, а не предполагайте, что каждое отверстие заполнено медью или закрыто иным способом.
- Сохраните необходимую для прибора паяемую площадь и особенности соединения. Изменения для улучшения теплоотвода не должны нарушать электрическую функцию площадки или технологичность ее изготовления.
- До выпуска документации проверьте структуру слоев, медные элементы и параметры переходных отверстий на соответствие предполагаемому технологическому процессу. Указание на чертеже только «добавить теплопроводящие переходные отверстия» оставляет важные решения открытыми.
- Продумайте опору платы в месте контакта с радиатором или шасси. Тепловой интерфейс не компенсирует чрезмерный прогиб платы, плохое совмещение или потерю контакта при монтаже.
В документе NXP AN11753 приведены рекомендации по переходным отверстиям и радиатору для конкретного прибора. Texas Instruments TIDA030 также иллюстрирует путь теплоотвода для конкретного прибора. Применяйте эти рекомендации к приборам и условиям, для которых они предназначены, не считая приведенные размеры или характеристики универсальными.
Согласуйте интерфейс и крепление
Радиатор должен обеспечивать воспроизводимый контакт с поверхностью, которую он предназначен охлаждать. TIM заполняет неровности между сопрягаемыми поверхностями, но его поведение после установки зависит от выбранного материала, площади контакта, толщины слоя и условий крепления. На чертеже следует указать, как наносится или устанавливается интерфейс, а не только название группы материалов.
Проверьте плоскостность и допуски корпуса прибора, платы, радиатора и места контакта с шасси, если оно предусмотрено. Определите, как крепеж обеспечивает контакт и передает ли он нагрузку в местах, где корпус прибора и плата могут безопасно ее воспринимать. Предусмотрите механическую фиксацию, доступ при монтаже и необходимые опоры для предотвращения изгиба. Не рассчитывайте на предполагаемые давление контакта или толщину слоя, которые невозможно стабильно обеспечить при сборке.
Электрическая изоляция может добавить в тепловой путь еще один интерфейс. Если изоляция необходима, оцените всю конструкцию интерфейса и крепления на соответствие тепловым и электрическим требованиям, включая зазоры и сам крепеж. Наличие изоляционного слоя не заменяет проверку собранной конструкции.
Подробнее о выборе материалов см. в статье «Выбор теплопроводящего интерфейсного материала». Особенности оптики, крепления и теплового режима светодиодов рассмотрены в статье «Управление тепловым режимом печатных плат для светодиодов».
Гипотетическое сравнение: радиатор сверху или отвод тепла от платы к шасси?
Гипотетический сценарий: разработчик интегрирует силовой прибор, не являющийся светодиодом, в закрытое изделие. Над корпусом прибора есть некоторое свободное пространство, а часть платы расположена рядом с монтажной поверхностью шасси. И радиатор сверху, и путь отвода тепла от платы к шасси представляются механически осуществимыми. Результат охлаждения заранее не предполагается.
Радиатор сверху можно рассматривать, если документация на прибор допускает передачу тепла через поверхность его корпуса, радиатор можно закрепить без повреждения корпуса и к нему поступает достаточный воздушный поток. Разработчику также следует проверить, остается ли в корпусе изделия достаточно места вокруг ребер радиатора и не подогревают ли соседние компоненты воздух и не препятствуют ли его движению.
Путь от платы к шасси можно рассматривать, если корпус прибора способен эффективно передавать тепло в печатную плату, структура слоев и медные элементы могут проводить его к месту контакта, а интерфейс с шасси практически реализуем. Разработчик должен проверить опору платы, допуски интерфейса, электрическую изоляцию и способ отвода тепла от шасси в условиях эксплуатации изделия.
Ни один из вариантов не следует выбирать только потому, что в нем больше видимого металла. Конструкция корпуса прибора может благоприятствовать одному пути, а условия внутри изделия или ограничения сборки — другому. Комбинированный подход также может заслуживать оценки, если каждый путь совместим с механическими и электрическими требованиями.
Перечень данных для принятия решения:
- Рассеиваемая мощность прибора на протяжении рабочего профиля, допустимая температура и применимые рекомендации по корпусу прибора.
- Предполагаемые поверхности теплопередачи и определения используемых тепловых параметров.
- Структура слоев платы, параметры медных элементов и переходных отверстий для варианта отвода тепла к шасси.
- Размеры и допуски радиатора, интерфейса и крепления для каждого варианта.
- Ориентация корпуса изделия, воздушный поток и реалистичные условия окружающей среды.
- План измерений или моделирования, отражающий каждую конфигурацию в готовом изделии, включая параллельные пути теплоотвода.
- Согласованные критерии приемки и ответственный за устранение любых отказов или расхождений.
Проверьте готовое изделие в установленной конфигурации
Планируйте проверку как для переходных, так и для установившихся рабочих режимов. Кратковременное событие с высоким тепловыделением может вызвать температурный пик, который не виден при усреднении за длительный период. И наоборот, конструкция, выдержавшая краткое испытание, может продолжать накапливать тепло при длительной работе. Определите последовательность рабочих режимов и условие, по которому будет оцениваться стабилизация температуры; не считайте, что одно испытание заменяет другое.
Разместите и документируйте точки измерения так, чтобы полученные температуры можно было интерпретировать в соответствии с применимыми рекомендациями для прибора. Для каждого результата фиксируйте рабочее состояние источника тепла, опорную температуру окружающей среды, конфигурацию корпуса, ориентацию, воздушный поток и состояние крепления. Если температуру перехода нельзя измерить напрямую, используйте предписанный производителем метод и укажите допущения и неопределенность оценки.
Дополнительные сведения об интерпретации наблюдений за температурой поверхности приведены в статье «Тепловизионная съемка печатных плат».
| Наблюдаемая проблема | Проверка на уровне системы | Необходимые данные |
|---|---|---|
| Температура прибора растет при длительной работе | Проверьте воздух внутри корпуса, препятствия воздушному потоку, контакт радиатора и другие источники тепла, а не только размер радиатора | Записи о рабочей рассеиваемой мощности, температуре окружающей среды и локальной температуре, конфигурация изделия и результаты осмотра контакта |
| Кратковременный рабочий режим вызывает температурный пик | Проверьте фактическую рассеиваемую мощность и длительность режима, теплоемкость и отклик измерительной системы | Синхронизированные по времени рабочий профиль и результаты измерения температуры с указанием расположения контрольных точек |
| Плата рядом с прибором горячая, а место контакта с шасси холоднее | Проверьте путь через медные элементы и переходные отверстия, расположение контакта, прилегание интерфейса и опору платы | Структура слоев и топология, размеры интерфейса, данные о контакте после сборки и температуры в определенных точках |
| Результаты различаются между изделиями | Проверьте нанесение TIM, допуски, последовательность монтажа и стабильность воздушного потока | Записи о сборке, спецификации интерфейса и крепежа, условия испытаний и измеренный разброс |
До начала испытаний назначьте ответственного за план проверки. Он должен обеспечить согласование условий и критериев приемки, рассмотрение результатов с учетом ограничений прибора и проекта, а также контроль изменений. Ответственным за прибор, механику, печатную плату и сборку может потребоваться устранить разные составляющие проблемы. Одна лишь проверка процесса изготовления или сборки не доказывает, что готовое изделие соответствует тепловым требованиям.
Контрольный список для передачи проекта
Задокументируйте предполагаемый путь теплоотвода и связанные с ним допущения в комплекте выпускаемой документации, чтобы ответственные специалисты могли оценивать последующие изменения. Включите следующие сведения:
- Источники тепла: обозначения компонентов, рассеиваемая мощность, рабочие состояния и профиль рабочего цикла с указанием источника каждого допущения.
- Предельные параметры прибора: допустимая температура перехода или температура в точке измерения, рекомендации по теплопередаче через корпус прибора, определения тепловых параметров и соответствующие опорные температуры.
- Путь через печатную плату: структура слоев, геометрия медных элементов, параметры контактных площадок и переходных отверстий, электрические соединения и любые требования к изготовлению или сборке, влияющие на пайку или контакт.
- Радиатор и интерфейс: размеры, контактные поверхности, спецификация TIM, предполагаемая толщина слоя, способ крепления, плоскостность и допуски сборки.
- Электрические и механические ограничения: изоляция, зазоры, крепеж, опора платы, монтажные нагрузки и требования к доступу.
- Окружающие условия: конфигурация корпуса, ориентация, воздушный поток, контакты с шасси и реалистичные условия окружающей среды.
- Проверка: контрольные точки, последовательность рабочих режимов, переходные и длительные условия, критерии приемки, метод измерения и ответственный.
- Контроль изменений: какие замены радиатора, TIM, крепежа, платы, корпуса или изменения воздушного потока требуют рассмотрения и повторной проверки и кто их утверждает.
При обсуждении платы с APTPCB сообщите сведения об источниках тепла и рассеиваемой мощности, структуре слоев и переходных отверстиях, а также об интерфейсах с радиатором и другими элементами изделия. Свяжитесь с APTPCB или запросите коммерческое предложение, указав требования к проверке. Уточните объем работ по установке радиатора или тепловым испытаниям для вашего проекта.