Теплопроводность печатной платы: направление и модели конструкции
Теплопроводность печатной платы зависит от направления и конструкции стека
Теплопроводность печатной платы обычно не выражается одним числом, описывающим все пути передачи тепла. Узоры из меди, изолирующие слои и металлизированные переходные отверстия делают готовую плату по-разному проводить тепло по своей поверхности и через толщину. Поэтому полезная тепловая модель должна указывать направление, геометрию и допущения по материалам до присвоения эффективной теплопроводности.
Определите, по какому пути должен проходить тепловой поток. Распространение тепла в горизонтальной плоскости не обязательно решает проблему отвода тепла к заднему теплоотводу, а дополнительные переходные отверстия не устраняют ограничения, связанные с передачей тепла от корпуса в окружающий воздух.
Разделите теплопроводность от термического сопротивления
Теплопроводность, k, описывает теплопроводность внутри материала и измеряется в Вт/(м·К). Тепловое сопротивление характеризует конкретный путь передачи тепла и измеряется в К/Вт. Для идеального однородного слоя при одноосной стационарной теплопроводности:
RTH = L / (k × A)
Здесь L — длина пути в метрах, а A — площадь, перпендикулярная направлению теплового потока, в квадратных метрах. Это соотношение не учитывает распространение тепла, контактное сопротивление или конвекцию. В отчёте TI «Разработка датчиков температуры для печатных плат», SNOA967A рассматриваются отдельные пути: продольный, поперечный и через переходные отверстия, а не рассматривается плата как единый однородный проводник.
Большее значение k не гарантирует снижения сопротивления сборки при изменении толщины, площади контакта или границ раздела.
Почему направление влияет на результат
Плоскостное тепловое течение происходит примерно параллельно медным слоям. Широкие, связанные медные участки могут обеспечить путь для распространения тепла, в то время как прорези, узкие участки и редкие следы нарушают этот путь. Поперечное течение должно проходить через толщину структуры, где низкая теплопроводность диэлектрических слоев часто определяет общую теплопроводность, если только проводящие структуры не создают альтернативные пути.
Анизотропная модель теплопроводности может описать эти направления. В общем случае проводимость представляется тензором, а не скаляром для вектора потока тепла (k). Поток тепла и градиент температуры — это векторы, связанные с этой материальной моделью. Формулировка теплопроводности в COMSOL объясняет взаимосвязь для многослойных материалов.
Два идеальных многослойных моделирования, а не один универсальный средний показатель
Для непрерывных плоских слоев одинакового размера обозначим fi долю толщины каждого слоя, при этом сумма всех долей равна единице. Предположим изотропные компонентные материалы, постоянные свойства, идеальные границы раздела и отсутствие переходных отверстий. При этих идеальных условиях:
- В направлении, параллельном слоям, складываются их вклады в теплопроводность:
kPARALLEL = Σ(fi × ki). - Перпендикулярно слоям, суммируются последовательные термические сопротивления:
kПЕРПЕНДИКУЛЯРНО = 1 / Σ(fi / ki).
Это соответственно арифметические и гармонические взвешенные средние. COMSOL документирует различие между усреднением в параллельных и перпендикулярных направлениях. Применение арифметического выражения ко всем направлениям печатной платы может значительно преувеличить вертикальную теплопроводность.
Иллюстративная структура показывает различие
Рассмотрим упрощённую структуру, в которой по толщине содержится 10 % металла и 90 % диэлектрика. Для наглядности арифметических расчётов примем коэффициент теплопроводности металла k = 400 Вт/(м·К), а диэлектрика — k = 0,30 Вт/(м·К). Эти значения являются исходными данными, а не спецификацией какой-либо пластины или готовой печатной платы.
Параллельные вычисления дают:
0.10 × 400 + 0.90 × 0.30 = 40.27 Вт/(м·К)
Перпендикулярный расчёт даёт:
1 / (0.10 / 400 + 0.90 / 0.30) ≈ 0.333 Вт/(м·К)
Одинаковые доли дают разные эффективные значения, потому что пути соединения различаются. Дополнительное медное покрытие может изменить боковую проводимость без устранения вертикального диэлектрического ограничения.
Реальные компоновки отклоняются от обоих идеализированных случаев. Процентное содержание меди мало что говорит о том, соединены ли участки между собой в направлении интереса. Малые источники тепла также создают трёхмерное распространение тепла. Используйте эти модели для проверки логики и уточнения начальных предположений, а затем явно представьте важную геометрию.
Медные плоскости и переходные отверстия решают разные участки пути
Плоские медные области рассеивают тепло по большей площади платы; отверстия (вии) соединяют проводящие участки через толщину диэлектрика. Ни один из них сам по себе не является теплоотводом. Руководство TI по тепловому проектированию для приводов двигателей объединяет непрерывность меди, конструкцию вии и финальный путь отвода тепла.
Плоское отверстие в основном проводит тепло через металлический ствол. Это не миниатюрная тепловая трубка с фазовым переходом. Его вклад зависит от толщины напыления, длины, способа подключения к плоскостям, а также от количества и расположения отверстий. Указание «заполненное» недостаточно как термическая характеристика: проводящее наполнение и непроводящая смола не создают одинакового дополнительного пути для теплопередачи. Требования к сборке также ограничивают размещение отверстий под открытыми контактными площадками.
Прежде чем менять ламинат, задайте себе вопрос: может ли тепло достигнуть существующего медного слоя? Узкая перемычка от горячей контактной площадки может доминировать даже при наличии рядом крупного плоского участка. Прежде чем добавлять дополнительные переходные отверстия, уточните, куда направляется тепло с противоположной медной поверхности.
Преобразуйте модель в план проверки
Начните с рассеиваемой мощности, а не просто с мощности питания или универсального порога в ваттах. Затем определите целевой теплоотвод и допустимое повышение температуры. Получите значения коэффициента теплопроводности материала для соответствующего направления, температуры и метода испытаний; не вычисляйте его исключительно на основе температуры стеклования.
Для практического анализа изменяйте по одному допущению за раз: покрытие медью, конструкция переходных отверстий, сопротивление на границах раздела, воздушный поток или температура корпуса. Если только изменение воздушного потока существенно влияет на прогнозируемую зону перегрева, дальнейшее увеличение толщины меди вряд ли станет первым полезным шагом. Такая проверка чувствительности — это метод инженерного принятия решений, а не гарантия определённого снижения температуры.
Наконец, сравните температуры прототипа при заданных нагрузках и условиях окружающей среды. Показания с поверхности не являются автоматически показаниями температуры перехода полупроводника. Зафиксируйте место измерения и метод, а также используйте соответствующие тепловые рекомендации компонента для оценки температуры перехода.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать теплопроводность прокладки для всего печатного узла?
Только если это приближение применимо к моделируемому пути. Узорчатый медный слой и переходные отверстия могут существенно изменить эффективное направление теплопроводности платы по сравнению с голым ламинатом.
Высокая теплопроводность печатной платы всегда улучшает продукт?
Нет. Он может переносить тепло к чувствительному датчику или к цепи, зависящей от температуры. Цель — заданная траектория теплового потока и допустимые температуры компонентов, а не максимальная проводимость повсеместно.
Нужна помощь с производством печатных плат или сборкой PCBA?
Сообщите свои требования по компоновке, термическим переходам и производству печатных плат или сборке плат с помощью icallin через нашу специализированную страницу запроса коммерческого предложения.
