Thiết kế và thử nghiệm nhiệt: Giải pháp cho việc sưởi ấm PCBA bất thường

Nhiệt độ bất thường trong PCBA (Đồng bộ PCB) là một vấn đề quan trọng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đếnhiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọhiệu quảthiết kế nhiệt và thử nghiệm nghiêm ngặtlà điều cần thiết để giải quyết và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến nhiệt.

Hiểu về việc sưởi ấm PCBA bất thường

Nhiệt độ quá mức trên PCBA thường được gây ra bởi một số yếu tố:

• Tiêu thụ năng lượng cao:Các thành phần (như CPU, GPU, IC năng lượng, đèn LED) tạo ra nhiệt tỷ lệ với sức mạnh mà chúng tiêu hao.
• Định dạng thành phần không hiệu quả:Việc đặt không đúng có thể dẫn đến các điểm nóng hoặc cản trở luồng không khí.
• Không đủ đường phân tán nhiệt:Không đủ đồng trong các dấu vết PCB, thiếu đường nhiệt hoặc giao diện nhiệt kém với thùng tản nhiệt.
• Cơ chế làm mát không đủ:Không có thùng thu nhiệt, quạt hoặc thông gió khoang thích hợp.
• Các yếu tố môi trường:Nhiệt độ xung quanh cao có thể làm trầm trọng thêm các vấn đề về sưởi ấm.

Thiết kế nhiệt: Ngăn chặn nhiệt trước khi nó bắt đầu

Thiết kế nhiệt hiệu quả là xây dựng quản lý nhiệt vào PCBA từ đầu.

1. Chọn thành phần:

   • Đặt ưu tiênCác thành phần tiết kiệm năng lượngvới dòng điện tĩnh thấp hơn và hiệu quả cao hơn.
   • Chọn các thành phần vớiKháng nhiệt thích hợpcho việc tiêu hao năng lượng dự kiến của chúng.

2. Tối ưu hóa bố cục PCB:

   • Đặt các thành phần chiến lược:Đặt các thành phần phân tán công suất cao (ví dụ như các IC công suất, bộ xử lý, bộ điều chỉnh điện áp) ra khỏi các thành phần nhạy cảm với nhiệt (ví dụ như cảm biến, mạch tương tự chính xác, tụ điện phân).
   • Đường nhiệt:Incorporate a grid of thermal vias (small holes filled with copper) under power components to conduct heat efficiently from the component pad through to internal copper layers or to the other side of the board for heat sinking.
   • Sản phẩm:Sử dụng các cốc đồng lớn hoặc máy bay đất / động lực chuyên dụng nhưLớp phân tán nhiệtĐể phân phối nhiệt ra khỏi các điểm nóng, đồng càng nhiều, dẫn nhiệt càng tốt.
   • Kích thước dấu vết:Đảm bảo các dấu vết điện đủ rộng để mang dòng điện cần thiết mà không bị nóng quá mức (Tôi...2Rtổn thất).

3. Máy thu nhiệt và quạt:

   • Máy rửa nhiệt:Thêm các thùng tản nhiệt trực tiếp vào các thành phần công suất cao.Vật liệu giao diện nhiệt thích hợp (TIM) giữa thành phần và thùng xử lý nhiệt là rất quan trọng.
   • Fan:Để tiêu hao năng lượng cao hơn, làm mát tích cực với quạt có thể làm tăng đáng kể dòng không khí trên thùng tản nhiệt và PCBA, giúp loại bỏ nhiệt.và tiêu thụ năng lượng.

4. Thiết kế khoang:

   • Không khí:Thiết kế khoang với đủ lỗ thông gió và các lỗ mở được đặt chiến lược để cho phép đối lưu tự nhiên (hiệu ứng ống khói) hoặc luồng không khí bị ép từ quạt.
   • Chọn vật liệu:Các vỏ kim loại có thể hoạt động như các khói nhiệt bổ sung, phân tán nhiệt qua bề mặt của chúng.

5. Mô phỏng nhiệt:

   • Sử dụngCông cụ Kỹ thuật hỗ trợ máy tính (CAE)vàPhần mềm mô phỏng nhiệt(ví dụ: ANSYS, Mentor Graphics FloTHERM, COMSOL) sớm trong giai đoạn thiết kế.
   • Mục đích:Để dự đoán sự phân bố nhiệt độ, xác định các điểm nóng tiềm năng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp làm mát khác nhau trước khi tạo ra nguyên mẫu vật lý, tiết kiệm thời gian và chi phí.

Kiểm tra nhiệt: Xác minh thiết kế

Một khi PCBA được tạo ra nguyên mẫu, kiểm tra nhiệt nghiêm ngặt là điều cần thiết để xác nhận thiết kế và xác nhận rằng nó hoạt động trong giới hạn nhiệt độ an toàn trong các điều kiện khác nhau.

1. Máy ảnh nhiệt / Nhiệt độ hồng ngoại:

   • Mục đích:Để xác định trực quan và lập bản đồ phân bố nhiệt độ trên bề mặt PCBA.
   • Phương pháp:Máy ảnh hồng ngoại chụp ảnh nhiệt, tiết lộ các điểm nóng và độ gradient nhiệt độ trong thời gian thực.

2. Đo nhiệt cặp/giảm nhiệt độ:

   • Mục đích:Để có được các phép đọc nhiệt độ chính xác tại các điểm cụ thể trên các thành phần hoặc PCB.
   • Phương pháp:Các bộ cảm biến nhiệt đôi nhỏ hoặc RTD (Résistance Temperature Detector) được gắn vào các điểm quan tâm chính.đặc biệt là trong hoạt động chức năng và thử nghiệm căng thẳng.

3. Phòng môi trường:

   • Mục đích:Để kiểm tra hiệu suất nhiệt của PCBA trong một loạt các điều kiện môi trường được kiểm soát.
   • Phương pháp:PCBA được đặt trong mộtPhòng nhiệt độ(hoặc mộtPhòng sốc nhiệtđể mô phỏng môi trường hoạt động từ cực lạnh đến cực nóng.

4. Thử nghiệm lão hóa (thử nghiệm đốt cháy) với giám sát nhiệt độ:

   • Mục đích:Để vận hành PCBA dưới căng thẳng liên tục (bao gồm nhiệt độ cao) trong một thời gian dài để xác định "sự thất bại trong cuộc sống sớm" và đảm bảo độ tin cậy lâu dài.
   • Phương pháp:PCBA thường được chạy trong mộtlò đốthoặc buồng, thường ở nhiệt độ hoạt động cao hơn bình thường, trong khi theo dõi chức năng và nhiệt độ thành phần chính của chúng.

5. Đo lưu lượng không khí và áp suất:

   • Mục đích:Đối với các thiết kế liên quan đến làm mát tích cực (ventilator), để đảm bảo lưu lượng không khí và giảm áp suất đầy đủ trong khoang.
   • Phương pháp:Máy đo động lực (đối với tốc độ lưu thông không khí) và máy đo áp suất được sử dụng để mô tả hiệu suất làm mát.

Bằng cách tích hợp các nguyên tắc thiết kế nhiệt chủ động với thử nghiệm nhiệt toàn diện, các nhà sản xuất có thể giải quyết hiệu quả sự nóng PCBA bất thường, dẫn đến hiệu quả, đáng tin cậy hơn,và các sản phẩm điện tử hiệu suất cao.