Радіатор для друкованої плати допомагає відводити тепло від компонента до навколишнього повітря або шасі. Його ефективність залежить від усього шляху проходження тепла. Радіатор, який працює на відкритому повітрі, може інакше поводитися всередині корпусу, а для компонента, який відводить більшість тепла через нижню поверхню, шлях від плати до шасі може бути ефективнішим за радіатор, встановлений зверху.
Простежте шлях тепла від компонента до передбаченого радіатора й далі в навколишнє середовище. Перевірте цей шлях за фактичних умов монтажу, повітряного потоку, корпусу та експлуатації.
Визначте шляхи відведення тепла від компонента
Компонент може одночасно віддавати тепло кількома шляхами. Друкована плата може бути основним або допоміжним шляхом відведення тепла чи паралельним шляхом до радіатора, закріпленого в іншому місці. Не припускайте, що кожен ват проходить через одну й ту саму послідовність матеріалів.
Корисно почати з розгляду трьох конфігурацій:
- Радіатор на компоненті: Радіатор контактує з придатною для цього поверхнею корпусу компонента, зазвичай через термоінтерфейсний матеріал (TIM). Тепло проходить через корпус і термоінтерфейс до радіатора, а потім відводиться в навколишнє середовище. Перевірте, чи призначена поверхня корпусу для такого використання та чи витримає корпус обраний спосіб кріплення.
- Радіатор, термічно з’єднаний із платою: Тепло переходить від компонента до мідних шарів друкованої плати, можливо, через теплові перехідні отвори, а потім до радіатора або іншої охолоджувальної поверхні, з’єднаної з платою. На цей шлях впливають мідні шари, перехідні отвори, конструкція плати та площа контакту.
- Шлях через шасі: Тепло надходить до корпусу виробу або шасі через контакт із корпусом компонента чи платою та відповідну конструкцію кріплення. Шасі повинно мати реальну можливість віддавати це тепло в навколишнє середовище; самі по собі великі механічні розміри не гарантують достатнього охолодження.
Ці підходи можна поєднувати. Наприклад, радіатор зверху може відводити частину тепла, тоді як друкована плата переносить решту до розташованих поблизу точок кріплення. Розподіл змінюється залежно від конструкції та граничних умов, тому розгляд цих шляхів як одного незмінного послідовного ланцюга може призвести до хибного проєктного рішення.
Зберіть вихідні дані перед вибором радіатора
Почніть із компонента та умов, у яких він працюватиме у складі виробу.
Джерело тепла та втрати. Визначте кожен значущий компонент, що виділяє тепло, та потужність, яку він розсіює протягом робочого профілю. Вхідна електрична потужність не обов’язково дорівнює теплу, яке генерує компонент: врахуйте потужність, передану далі, та інші особливості роботи конкретного пристрою. Зафіксуйте пікові й тривалі режими та робочий цикл, зокрема сусідні джерела тепла, які можуть нагрівати ту саму плату або повітря.
Температурна межа та опорна температура. Визначте допустиму температуру переходу або встановлену межу для точки вимірювання за відповідною документацією на компонент, враховуючи запас, необхідний для проєкту. Зафіксуйте, де температуру можна фактично виміряти. Температура верхньої поверхні корпусу компонента, температура плати та температура навколишнього середовища не є взаємозамінними.
Корпус компонента та теплові характеристики. Визначте, де тепло може надходити в корпус компонента або виходити з нього та які теплові показники застосовні до запланованої оцінки. Конструкція корпусу, відкриті контактні майданчики та рекомендоване виробником компонента трасування плати можуть визначати, чи є обґрунтованим встановлення радіатора зверху або його термічне з’єднання з платою.
Навколишнє середовище та корпус виробу. Визначте найгіршу реально можливу температуру навколишнього середовища в місці експлуатації виробу. Врахуйте, як нагрівання корпусу, сусідні компоненти та обмежені отвори впливають на повітря, що надходить до радіатора. У розрахунках і випробуваннях навколишню температуру слід визначати послідовно; температура приміщення за межами закритого корпусу не обов’язково дорівнює температурі повітря навколо компонента.
Простір, повітряний потік і орієнтація. Зафіксуйте простір, доступний для радіатора, термоінтерфейсу та кріпильних елементів. Врахуйте зони, вільні від компонентів, доступ для складання та шляхи повітряного потоку. Орієнтація може впливати на природну конвекцію, тоді як вентилятори, розташовані поблизу перешкоди та рециркуляція можуть змінювати примусовий потік повітря. Опубліковані характеристики радіатора прив’язані до умов випробування виробника; ці умови можуть суттєво відрізнятися від умов у встановленому виробі.
Монтажні та електричні обмеження. Визначте допустимі поверхні кріплення, потребу в електричній ізоляції, зазори та допустимі механічні навантаження. Вирішіть, чи потрібна платі або корпусу компонента опора для протидії монтажним зусиллям і навантаженням під час поводження з виробом. Навіть найкращий тепловий контакт не допоможе, якщо монтаж спричиняє електричну несправність або механічно навантажує виріб.
Складіть тепловий бюджет, не змішуючи різні показники
Тепловий бюджет пов’язує теплові втрати з допустимим для конструкції підвищенням температури. Для початкової оцінки відніміть відповідну опорну температуру від допустимої температури переходу або температури в точці вимірювання. Отримане значення — доступний запас підвищення температури для обраної умови. Далі конструкція має забезпечити такий шлях відведення тепла, щоб температура компонента залишалася в допустимих межах за реально можливих робочих втрат.
Для ілюстративного одиничного послідовного шляху підвищення температури можна оцінити, помноживши тепловий потік на суму відповідних теплових опорів. Це наближення корисне лише тоді, коли опори описують фактичний шлях, їхні граничні умови узгоджені, а тепло, що проходить паралельними шляхами, враховане. Шлях від корпусу компонента через радіатор до повітря не обов’язково охоплює всю систему, якщо друкована плата також відводить значну частину тепла.
Будьте особливо уважні до показників корпусу в технічній документації:
- Не додавайте наведений у документації тепловий опір «перехід — навколишнє середовище», RθJA, до окремого опору шляху через радіатор. RθJA відображає умови визначеної випробувальної плати та середовища і може сильно змінюватися залежно від конструкції плати, повітряного потоку й оточення. Додавання до нього опору шляху через радіатор, наче це опір лише корпусу компонента, може призвести до подвійного обліку або неправильного представлення теплового потоку.
- Не вважайте параметр psi тепловим опором. Параметр теплової характеристики пов’язує оцінку температури переходу з вимірюванням у визначеній опорній точці за встановлених умов; він не є взаємозамінним з опором у довільному послідовному ланцюгу.
- Узгоджуйте кожен показник із його опорною температурою та визначенням. Значення, призначене для однієї точки вимірювання або умов випробування, не слід застосовувати до інших без рекомендацій виробника.
У документі Texas Instruments Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, SPRA953D, пояснюються залежність теплових показників корпусу від умов випробування та відмінність між тепловими опорами й параметрами теплової характеристики. Для вимірювання та моделювання користуйтеся рекомендаціями виробника компонента. Оцінка є інструментом попереднього аналізу; вона не підтверджує ефективність у встановленому виробі, якщо розподіл теплових потоків або граничні умови невідомі.
Спроєктуйте шлях відведення тепла через плату
Мідь може розподіляти тепло від компонента та спрямовувати його до радіатора, контакту із шасі або іншої ділянки плати. Її ефективність залежить від доступної геометрії мідних ділянок, з’єднань між шарами, сусідніх джерел тепла та місць, через які тепло може виходити з виробу. Велика мідна ділянка всередині теплого корпусу може розподіляти тепло, не віддаючи його в достатній кількості.
Теплові перехідні отвори можуть з’єднувати мідні ділянки на різних шарах і допомагати відводити тепло від відкритого контактного майданчика або іншої контактної поверхні компонента. Їхній внесок залежить від усієї структури шарів і деталей виготовлення. Більша кількість перехідних отворів не гарантує лінійного поліпшення: обмежувальною ланкою натомість може бути контакт із корпусом компонента, розподіл тепла в міді, контакт плати з радіатором або відведення тепла за межі плати.
Варіанти конструкції плати наведено на сторінці вибору друкованих плат із високою теплопровідністю APTPCB. Якщо перехідні отвори розташовані в паяльному майданчику, посібник із виготовлення via-in-pad пояснює пов’язані рішення щодо виготовлення та складання.
Узгодьте компонування з вимогами виготовлення та складання:
- Визначте, які мідні шари з’єднують перехідні отвори та чи допустимі ці з’єднання з електричного погляду. Тепловий майданчик або контакт із шасі може мати заданий електричний потенціал чи потребувати ізоляції.
- Задокументуйте розташування перехідних отворів відносно паяльних майданчиків. Отвори в майданчику або поблизу нього можуть відводити припій під час складання, впливаючи на паяне з’єднання. Узгодьте належну обробку з відповідальними за виготовлення та складання, а не припускайте, що кожен отвір заповнений міддю або закритий іншим способом.
- Збережіть площу паяльного майданчика та параметри з’єднання, необхідні для компонента. Зміни заради поліпшення теплового режиму не повинні погіршувати електричну функцію або технологічність майданчика.
- Перед випуском документації перевірте структуру шарів, мідні елементи та параметри перехідних отворів на відповідність запланованому процесу. Креслення, на якому зазначено лише «додати теплові перехідні отвори», залишає важливі рішення невизначеними.
- Врахуйте, як плата спирається в місці контакту з радіатором або шасі. Термоінтерфейс не може компенсувати надмірний прогин плати, погане вирівнювання або втрату контакту під час монтажу.
У документі NXP AN11753 наведено рекомендації щодо перехідних отворів і радіаторів для конкретного компонента. Документ Texas Instruments TIDA030 також ілюструє шлях відведення тепла для конкретного компонента. Застосовуйте ці рекомендації до компонентів і умов, для яких їх розроблено, а не вважайте наведені розміри чи характеристики універсальними.
Узгодьте термоінтерфейс і кріплення
Радіатор потребує стабільного, відтворюваного контакту з поверхнею, яку він має охолоджувати. TIM заповнює нерівності між контактними поверхнями, але його поведінка після встановлення залежить від обраного матеріалу, площі контакту, товщини шару та умов монтажу. Креслення має визначати, як наносити або встановлювати термоінтерфейс, а не просто називати групу матеріалів.
Перевірте площинність і допуски корпусу компонента, плати, радіатора та будь-якої контактної поверхні шасі. Визначте, як кріпильні елементи забезпечують контакт і чи прикладають вони навантаження там, де корпус компонента та плата можуть безпечно його витримати. Передбачте механічну фіксацію, доступ для монтажу та будь-які опори, необхідні для запобігання згинанню. Не покладайтеся на припущені контактний тиск або товщину шару, яких неможливо стабільно досягти під час складання.
Електрична ізоляція може додати ще один термоінтерфейс на шляху тепла. Якщо ізоляція потрібна, оцініть увесь термоінтерфейс і конструкцію кріплення на відповідність як тепловим, так і електричним вимогам, зокрема щодо зазорів і самих кріпильних елементів. Ізоляційний шар не замінює перевірку зібраної конструкції.
Докладніше про вибір матеріалу читайте в статті «Вибір термоінтерфейсного матеріалу». Оптичні, монтажні та теплові аспекти, специфічні для світлодіодів, розглянуто в статті «Керування тепловим режимом друкованих плат для світлодіодів».
Гіпотетичне порівняння: радіатор зверху чи шлях від плати до шасі?
Гіпотетичний сценарій: Розробник інтегрує силовий компонент, який не є світлодіодом, у виріб із закритим корпусом. Над корпусом компонента є певний простір, а частина плати розташована поблизу монтажної поверхні шасі. І радіатор зверху, і шлях від плати до шасі видаються механічно здійсненними. Жодного результату охолодження не припускається.
Радіатор зверху варто розглянути, якщо документація на компонент допускає передавання тепла через поверхню його корпусу, радіатор можна закріпити без пошкодження корпусу та до нього може надходити достатній повітряний потік. Розробнику також слід перевірити, чи достатньо простору навколо ребер усередині корпусу виробу та чи сусідні компоненти не нагрівають повітря або не перешкоджають його руху.
Шлях від плати до шасі варто розглянути, якщо корпус компонента може ефективно передавати тепло до друкованої плати, структура шарів і мідь можуть переносити його до точки контакту, а контакт із шасі практично здійсненний. Розробник має перевірити опору плати, допуски термоінтерфейсу, електричну ізоляцію та те, як шасі віддає тепло в умовах встановлення.
Жоден із варіантів не слід обирати лише тому, що в ньому видно більше металу. Корпус компонента може сприяти одному шляху, тоді як умови в корпусі виробу або обмеження складання — іншому. Якщо кожен шлях є механічно та електрично сумісним, варто оцінити комбінований підхід.
Перелік даних для ухвалення рішення:
- Втрати компонента протягом робочого профілю, допустима температура та відповідні рекомендації щодо його корпусу.
- Передбачені поверхні теплопередачі та визначення використаних теплових показників.
- Структура шарів плати, мідні ділянки та параметри перехідних отворів для варіанта з тепловим з’єднанням із шасі.
- Розміри та допуски радіатора, термоінтерфейсу й кріплення для кожного варіанта.
- Орієнтація корпусу, повітряний потік і реально можливі температури навколишнього середовища.
- План вимірювання або моделювання, який відображає кожну встановлену конфігурацію, зокрема паралельні шляхи відведення тепла.
- Узгоджені критерії приймання та відповідальна особа для усунення будь-якої відмови чи невідповідності.
Перевірте виріб у встановленій конфігурації
Плануйте перевірку як для перехідних, так і для усталених робочих режимів. Короткочасний режим із високими втратами може спричинити температурний пік, який не буде видно за довгостроковим середнім значенням. І навпаки, конструкція, яка витримує коротке випробування, може продовжувати накопичувати тепло під час тривалої роботи. Визначте послідовність роботи та умову, за якою оцінюється стабілізація температур; не припускайте, що одне випробування замінює інше.
Розмістіть і задокументуйте точки вимірювання так, щоб отримані температури можна було інтерпретувати відповідно до застосовних рекомендацій виробника компонента. Для кожного результату зафіксуйте робочий стан джерела тепла, опорну температуру навколишнього середовища, конфігурацію корпусу, орієнтацію, повітряний потік і стан кріплення. Якщо температуру переходу неможливо виміряти безпосередньо, використовуйте метод, визначений виробником, і зазначайте припущення та невизначеність оцінки.
Додаткову інформацію про інтерпретацію спостережень за температурою поверхні наведено в статті «Тепловізійний контроль друкованих плат».
| Виявлена проблема | Перевірка на рівні системи | Необхідні дані |
|---|---|---|
| Температура компонента зростає під час тривалої роботи | Перевірте повітря в корпусі, перешкоди повітряному потоку, контакт радіатора та інші джерела тепла, а не лише розмір радіатора | Робочі втрати, записи температури навколишнього середовища та локальних температур, конфігурація встановленого виробу й результати огляду контакту |
| Короткочасний робочий режим спричиняє температурний пік | Перевірте фактичні втрати та тривалість, теплову масу і швидкодію вимірювання | Узгоджені за часом робочий профіль і вимірювання температури із зазначенням розташування точок вимірювання |
| Плата поблизу компонента гаряча, але контакт із шасі холодніший | Перевірте шлях через мідь і перехідні отвори, розташування контакту, прилягання термоінтерфейсу та опору плати | Структура шарів і компонування, розміри термоінтерфейсу, підтвердження контакту в зібраному виробі та температури у визначених точках |
| Результати відрізняються між зібраними виробами | Перевірте нанесення TIM, допуски, послідовність монтажу та стабільність повітряного потоку | Записи складання, специфікації термоінтерфейсу та кріпильних елементів, схема випробування й виміряний розкид |
Призначте відповідальну особу за план перевірки до початку випробувань. Вона має забезпечити узгодження умов і критеріїв приймання, перевірку результатів на відповідність обмеженням компонента та проєкту, а також контроль змін. Відповідальним за компонент, механічну конструкцію, друковану плату та складання, можливо, доведеться вирішувати різні аспекти відмови. Сама лише перевірка процесу виготовлення або складання не доводить, що готовий виріб відповідає тепловим вимогам.
Контрольний перелік для передачі проєкту
Задокументуйте передбачений шлях відведення тепла та його припущення в комплекті документації для випуску, щоб відповідальні особи могли оцінювати подальші зміни. Включіть:
- Джерела тепла: ідентифікацію компонентів, розсіювану потужність, робочі стани та профіль робочого циклу із зазначенням джерела кожного припущення.
- Обмеження компонента: допустиму температуру переходу або точки вимірювання, рекомендації щодо теплопередачі через корпус, визначення теплових показників та їхні опорні температури.
- Шлях через друковану плату: структуру шарів, геометрію мідних ділянок, параметри майданчиків і перехідних отворів, електричні з’єднання та будь-які вимоги до виготовлення чи складання, що впливають на паяння або контакт.
- Радіатор і термоінтерфейс: розміри, контактні поверхні, специфікацію TIM, передбачену товщину шару, спосіб кріплення, площинність і допуски складання.
- Електричні та механічні обмеження: ізоляцію, зазори, кріпильні елементи, опору плати, монтажні навантаження та вимоги до доступу.
- Середовище: конфігурацію корпусу, орієнтацію, повітряний потік, контакти із шасі та реально можливі температури навколишнього середовища.
- Перевірка: точки вимірювання, робочу послідовність, перехідні та тривалі режими, критерії приймання, метод вимірювання та відповідальну особу.
- Контроль змін: які заміни радіатора, TIM, кріпильних елементів, плати, корпусу або зміни повітряного потоку потребують аналізу й повторної перевірки та хто їх затверджує.
Обговорюючи плату з APTPCB, надайте дані про джерела тепла й розсіювану потужність, структуру шарів і параметри перехідних отворів, а також контактні поверхні радіатора та вузла складання. Зв’яжіться з APTPCB або запросіть комерційну пропозицію та вкажіть вимоги до перевірки. Уточніть обсяг робіт із встановлення радіаторів або теплових випробувань для вашого проєкту.