Conception et test thermiques: solutions pour le chauffage anormal du PCBA

Le chauffage anormal dans les circuits imprimés (PCBA) est un problème critique qui peut avoir de graves conséquences sur leperformances, fiabilité et durée de vieLes produits électroniquesconception thermique et tests rigoureuxsont essentiels pour résoudre et atténuer ces problèmes liés à la chaleur.

Comprendre le chauffage anormal du PCBA

La chaleur excessive sur un PCBA est généralement causée par plusieurs facteurs:

• Consommation d'énergie élevée:Les composants (comme les processeurs, les GPU, les circuits intégrés de puissance, les LED) génèrent de la chaleur proportionnelle à la puissance qu'ils dissipent.
• Mise en page inefficace des composants:Un mauvais emplacement peut entraîner des points chauds localisés ou entraver le flux d'air.
• Les voies de dissipation de la chaleur sont insuffisantes:Insuffisance de cuivre dans les traces de PCB, manque de voies thermiques ou interfaces thermiques médiocres avec les dissipateurs de chaleur.
• Mécanismes de refroidissement insuffisants:Absence de dissipateurs de chaleur, de ventilateurs ou de ventilation adéquate.
• Facteurs environnementaux:Des températures ambiantes élevées peuvent aggraver les problèmes de chauffage.

Conception thermique: prévenir la chaleur avant qu'elle ne commence

Une conception thermique efficace consiste à intégrer la gestion de la chaleur dans le PCBA à partir de zéro.

1. Sélection des composants:

   • Définir les prioritéscomposants à faible consommation d'énergieavec des courants de repos plus faibles et des rendements plus élevés.
   • Sélectionnez les composants avecrésistance thermique appropriéepour leur dissipation de puissance prévue.

2. Optimisation de la mise en page des PCB:

   • Placement stratégique des composantes:Placer les composants à haute dissipation de puissance (par exemple, les circuits intégrés de puissance, les processeurs, les régulateurs de tension) loin des composants sensibles à la chaleur (par exemple, les capteurs, les circuits analogiques de précision, les condensateurs électrolytiques).
   • Les voies thermiques: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.
   • Pour le cuivre:Utilisez de grandes cuves de cuivre ou des plans de terre/d'alimentation dédiés commecouches de diffusion de chaleurPlus il y a de cuivre, meilleure est la conduction thermique.
   • Taille des traces:Assurez-vous que les voies de transmission sont suffisamment larges pour transporter le courant requis sans chauffage résistif excessif (Je suis...2Rles pertes).

3. Égoutteurs et ventilateurs:

   • Dispensaires de chaleur:Les dissipateurs de chaleur doivent être fixés directement sur des composants de haute puissance, ce qui augmente la surface disponible pour la convection de la chaleur vers l'air environnant.Un matériau d'interface thermique (TIM) approprié entre le composant et le dissipateur de chaleur est essentiel.
   • Les fans:Pour une dissipation d'énergie plus élevée, le refroidissement actif avec des ventilateurs peut augmenter considérablement le débit d'air sur les dissipateurs de chaleur et le PCBA, ce qui facilite l'élimination de la chaleur.et consommation d'énergie.

4. Conception du boîtier:

   • Ventilation:Conception de l'enceinte avec suffisamment de conduits d'aération et d'ouvertures stratégiquement placées pour permettre une convection naturelle (effet cheminée) ou un flux d'air forcé des ventilateurs.
   • Sélection du matériau:Les enceintes métalliques peuvent servir de dissipateurs de chaleur supplémentaires, dissipant la chaleur à travers leur surface.

5. Simulation thermique:

   • UtilisezOutils d'ingénierie assistée par ordinateur (CAE)etlogiciel de simulation thermiqueLes résultats de l'étude ont montré que les techniques utilisées pour la conception de l'équipement de traitement de l'eau (par exemple, ANSYS, Mentor Graphics FloTHERM, COMSOL) étaient déjà disponibles au début de la phase de conception.
   • Objectifs:Pour prédire la répartition de la température, identifier les points chauds potentiels et évaluer l'efficacité des différentes solutions de refroidissement avant le prototypage physique, ce qui permet d'économiser du temps et des coûts.

Test thermique: vérification de la conception

Une fois le PCBA prototypé, des essais thermiques rigoureux sont essentiels pour valider la conception et confirmer qu'il fonctionne dans des limites de température sûres dans diverses conditions.

1. La caméra thermique/thermographie infrarouge:

   • Objectifs:Pour identifier visuellement et cartographier la distribution de la température sur la surface du PCBA.
   • Méthode:Une caméra infrarouge capture des images thermiques, révélant en temps réel les points chauds et les gradients de température.

2. Mesure par capteur de thermocouple/température:

   • Objectifs:Pour obtenir des relevés de température précis à des points spécifiques sur les composants ou le PCB.
   • Méthode:Des thermocouples minuscules ou des capteurs RTD (Résistance Temperature Detector) sont fixés à des points clés d'intérêt.en particulier pendant le fonctionnement et les essais de contrainte.

3. Chambres de l'environnement:

   • Objectifs:Pour tester les performances thermiques du PCBA dans une gamme de conditions environnementales contrôlées.
   • Méthode:Le PCBA est placé dans unchambre à température(ou unechambre de choc thermiqueIl s'agit de vérifier les performances et d'identifier les défaillances dues au stress thermique.

4. Test de vieillissement (test de combustion) avec surveillance de la température:

   • Objectifs:Pour faire fonctionner le PCBA sous contrainte continue (y compris à température élevée) pendant une période prolongée afin d'identifier les "échecs précoces" et d'assurer une fiabilité à long terme.
   • Méthode:Les PCBA sont généralement exécutés dans unfour à combustionou de la chambre, souvent à des températures de fonctionnement supérieures à la normale, tout en surveillant leur fonctionnalité et les températures des composants clés.

5. Mesure du débit d'air et de la pression:

   • Objectifs:Pour les conceptions impliquant un refroidissement actif (ventilateurs), pour assurer un débit d'air et une chute de pression adéquats à l'intérieur du boîtier.
   • Méthode:Des anémomètres (pour la vitesse du débit d'air) et des jauges de pression sont utilisés pour caractériser les performances de refroidissement.

En intégrant les principes de conception thermique proactive avec des tests thermiques complets, les fabricants peuvent efficacement lutter contre le chauffage anormal du PCBA, ce qui conduit à des produits plus robustes, fiables,et produits électroniques hautes performances.