Průvodce teplotou desek plošných spojů

Teplota je důležitým prvkem bezpečnosti, spolehlivosti a výkonu desek plošných spojů. Vysoké teploty mohou rychle vést k selhání a nevratnému poškození.

Deska plošných spojů se může zahřát za několika okolností. Součást namontovaná na desce plošných spojů se může velmi zahřát. Externí prvek – například jiná součástka ve složitém systému, jako je letecký a kosmický systém nebo lékařská aplikace – může generovat nadměrné teplo. Teplo se může na desce plošných spojů hromadit v důsledku nedostatečného větrání. Nebo během montáže desky plošných spojů může teplo generované vrtáním a pájením způsobit nadměrné tepelné namáhání součástek a vést k vadám desky.

Ať už je důvod jakýkoli, inženýři potřebují způsoby, jak regulovat teplo, aby desky plošných spojů odolaly vysokému tepelnému namáhání, kterému budou nevyhnutelně čelit. Jaké jsou některé účinné metody pro odvádění tepla z desek plošných spojů a způsoby, jak zabránit zvyšování teploty desek plošných spojů? Na tyto otázky odpovíme podrobněji níže.

Proč je důležité monitorování teploty desek plošných spojů?

Sledování teploty desky plošných spojů je zásadní, protože vysoké teploty mohou změnit strukturu desky plošných spojů a snížit její výkon nebo způsobit její selhání.

Měření teploty desek plošných spojů je také zásadní, protože problémy způsobené vysokými teplotami nezůstávají lokální. Mohou se rychle rozšířit na další součástky na desce plošných spojů a způsobit řadu poruch a poškození.

Nadměrné zahřívání desky plošných spojů může způsobit následující typy poškození:

• Ztráta strukturální integrity: Nadměrné teplo může poškodit integritu desky plošných spojů (PCB). Vrstvy desky plošných spojů jsou velmi citlivé na kolísání teploty a když se příliš zahřejí nebo ochladí, roztahují se a smršťují. Nadměrné teplo může způsobit deformaci délky, šířky a tloušťky různých vrstev desky plošných spojů.
• Přerušení elektrického vedení: Nadměrné teplo může také způsobit poškození obvodu. Obvodové vodiče se při přehřátí roztahují a mění tvar. Jakmile k tomu dojde, obvody se stávají náchylné k frekvenčním posunům, zkreslení a ztrátám v dopředném směru. Impedance vodiče se také může odchýlit od standardních 50 ohmů. Obvody s milimetrovými vlnami a zejména mikrovlnné obvody mají drobné, křehké součástky, které se mohou snadno poškodit, pokud se při vysokých teplotách roztáhnou a deformují.
• Nekompatibilní míry roztažnosti materiálů: Výše uvedené škodlivé účinky jsou umocněny skutečností, že různé materiály se roztahují různou rychlostí. Deska plošných spojů má dva hlavní typy vrstev: dielektrické vrstvy a vodivé kovové vrstvy. Protože obsahují různé materiály, roztahují se v reakci na teplo různě. Přehřátí desky plošných spojů tedy může způsobit další poškození, protože se různé typy vrstev od sebe vzdalují.
• Oxidace: Oxidace součástek desek plošných spojů je také problémem při vysokých teplotách. Exponovaný dialektický materiál v deskách plošných spojů není chráněn proti oxidaci, pokud nemá ochranný laminátový povlak. V tomto případě může materiál po vystavení vysokým teplotám rezavět. To často vede ke ztrátě přenosových vedení a vyššímu disipačnímu činiteli.

Jak měřit teplotu desky plošných spojů

Před měřením teploty desky plošných spojů je třeba identifikovat hlavní zdroj tepla na desce plošných spojů – obvykle mikrokontrolér nebo mikroprocesor – a lokalizovat teplotní senzory.

Budete také muset najít zemnící kontakty (GND), které jsou obvykle připojeny k substrátu zdroje tepla. Velké procento tepla generovaného na desce plošných spojů se přenáší na teplotní senzor přes tyto kontakty GND. Protože jsou kontakty připojeny k substrátu, mají nejnižší tepelný odpor ze všech součástek desky plošných spojů mezi teplotním senzorem a zdrojem tepla.

Jakmile budete mít tyto informace, můžete začít monitorovat teplotu. Měření teploty desky plošných spojů obvykle zahrnuje tři kroky:

1. Mezi teplotní senzory a zdroj tepla umístěte zemnící desku.
2. Připojte svorky GND každého teplotního senzoru k uzemňovací rovině zdroje tepla.
3. Ujistěte se, že teplotní senzory a zdroj tepla jsou na desce plošných spojů umístěny blízko sebe.

Dodržení těchto kroků vám umožní přesně a precizně měřit teplotu hlavního zdroje tepla – a tedy i desky plošných spojů jako celku.

Jakou maximální teplotu může deska plošných spojů vydržet?

Množství tepla, které deska plošných spojů odolá, závisí na materiálech, ze kterých je vyrobena. Materiály s optimálními tepelnými vlastnostmi poskytují spolehlivou odolnost vůči vysokým teplotám, zatímco některé materiály odolávají vysokým teplotám méně spolehlivě. Tuto odolnost pomáhá určit hodnota známá jako teplota skelného přechodu (TG). Například FR-4 má TG přibližně 135 stupňů Celsia.

Desky plošných spojů (PCB) jsou obecně definovány jako vysokoteplotní, pokud odolávají teplotnímu limitu 150 stupňů Celsia. Některé vysokoteplotní desky plošných spojů odolávají i vyšším teplotám, ale desky vyrobené z materiálů s nižší tepelnou odolností budou schopny bezpečně fungovat pouze při mnohem nižších teplotách. Vysokoteplotní desky plošných spojů se stávají stále běžnějšími v oblastech, jako je automobilový průmysl a průmyslové aplikace, kde jsou extrémní teploty součástí pracovního prostředí.

Časté příčiny přehřátí desky plošných spojů

1. Selhání součástky způsobující rozptyl

Jedním z běžných důvodů, proč se deska plošných spojů příliš zahřívá, je selhání jedné ze součástí desky plošných spojů, která se rozptýlí a není schopna generovat množství energie, které normálně generuje. Když k tomu dojde, okolní součástky musí generovat více energie, aby to kompenzovaly. Zvýšený výkon vede k riziku přehřátí.

2. Prostřednictvím rušení

Součástky s průchozím otvorem a chladiče jsou součástky desek plošných spojů, které dodávají energii. Generují teplo a rozptylují ho do vzduchu. Pokud není chladič správně připájen nebo pokud jiná součástka desek plošných spojů koliduje s průchozím otvorem, ostatní součástky budou generovat více tepla než obvykle, aby to kompenzovaly. Tento scénář také vede k riziku přehřátí.

3. Vzdálenost k zařízení pro povrchovou montáž

Součástky pro povrchovou montáž (SMD) se připojují k desce plošných spojů stejným způsobem jako součástky procházející otvory. Umožňují plynulejší tok proudu skrz součástky a chladič procházející otvory. Součástky procházející otvory a SMD však musí být od sebe rozmístěny ve správné vzdálenosti. Pokud jsou od sebe příliš daleko, proud bude muset protékat delší vzdálenost. Dodatečná doba potřebná k průchodu proudu může způsobit, že přijímací součástky zůstanou příliš dlouho studené. V takovém případě se mohou ostatní součástky přehřát, aby to kompenzovaly.

4. Vysokofrekvenční obvody

Vysoké teploty jsou obzvláště pravděpodobné v aplikacích, které používají vysokofrekvenční obvody. Je to proto, že generování většího výkonu přirozeně produkuje více tepla.

Například rádiofrekvenční obvody jsou rychle rostoucím sektorem v návrhu desek plošných spojů. Tyto obvody jsou velmi složité, ale mají mnoho užitečných aplikací, od zabezpečení bezdrátových sítí v lékařských a průmyslových produktech až po chytré telefony. Tyto vysokofrekvenční obvody mají tendenci generovat obrovské množství tepla, takže pro tyto typy desek plošných spojů jsou zapotřebí speciální konstrukční techniky.

5. Pájení bez olova

Celkově se odvětví desek plošných spojů (PCB) posouvá směrem k omezení nebezpečných látek (RoHS). Desky plošných spojů RoHS používají bezolovnatou pájku a bezolovnatá pájka vyžaduje pro volný tok vysoké teploty.

Jak zabránit přehřátí desky plošných spojů

Jak jsme viděli, je zásadní zabránit zvyšování teploty desky plošných spojů. Jak ale lze snížit teplo na desce plošných spojů? Inženýři mohou k odvádění tepla z desek plošných spojů použít několik různých metod:

1. Radiátory

Deska plošných spojů (PCB) je v podstatě továrnou na teplo kvůli všem součástkám produkujícím teplo, které obsahuje. Deska plošných spojů potřebuje nějaký způsob, jak veškerou tuto tepelnou energii odvést. Řešením obvykle jsou chladiče. Chladiče bezpečně odvádějí teplo, takže se nehromadí a nepoškozuje desku.

2. Fanoušci

Většina elektronických zařízení obsahuje ventilátory pro chlazení a některé z těchto ventilátorů jsou navrženy k chlazení desek plošných spojů. Chladicí ventilátory odvádějí teplo z elektronických zařízení nasáváním studeného vzduchu, což pomáhá předcházet přehřátí a prodlužuje životnost a výkon desky plošných spojů.

3. Účtování materiálů a součástí

Výběr tepelně odolných materiálů je jednou z nejúčinnějších strategií pro snížení tepla v desce plošných spojů. Například těžké měděné desky plošných spojů, vyrobené z tlustých měděných plechů, jsou vynikající volbou díky své odolnosti a schopnosti odolávat vysokým teplotám. Zvládají vyšší úrovně proudu, odolávají vyšším teplotám po delší dobu a poskytují silnější spojovací body než standardní desky plošných spojů. Z těchto důvodů jsou obzvláště užitečné v automobilovém průmyslu, letadlech, těžké technice, výkonových měničích a dalších náročných prostředích.

Mnoho desek plošných spojů obsahuje FR-4, který je sice užitečný jako zpomalovač hoření, ale neodolává extrémně vysokým teplotám. Vědomí, že deska plošných spojů obsahuje FR-4 ve své konstrukci, umožňuje inženýrům navrhovat obvody, které nebudou generovat více tepla, než materiál dokáže snést.

Materiály, jako jsou RF materiály používané ve RF obvodech a polyamid, jsou také citlivé na vysoké teploty. Polytetrafluorethylen (PTFE) je ve RF deskách velmi běžný, ale při vystavení teplu během vrtání se může rozmazat a toto rozmazání je velmi obtížné odstranit. Tyto materiály nejsou v deskách plošných spojů tak běžné jako FR-4, ale inženýři by měli být při navrhování svých návrhů opatrní, pokud pracují i s těmito materiály. V těchto situacích se důrazně doporučuje použití vysokoteplotního laminátu.

4. Zvětšení tloušťky a šířky desky

V deskách plošných spojů vedou silnější desky teplo méně efektivně než tenčí. K dosažení vysokých teplot vyžadují více energie, takže při správném návrhu mohou pomoci snížit riziko přehřátí, deformace a selhání.

5. Pokládka laminátu

Aplikace laminátu je dalším způsobem, jak zabránit poškození vysokými teplotami. Vysokoteplotní lamináty pro desky plošných spojů mohou zabránit přehřátí tím, že poskytují tepelnou ochranu součástkám desek plošných spojů.

Vysokoteplotní lamináty musí mít následující ochranné vlastnosti:

• Teplota skelného přechodu (TG): Teplota skelného přechodu se vztahuje k teplotě, při které polymery termodynamicky přecházejí z tvrdého stavu na měkký. PCB s vysokým obsahem TG poskytují vynikající ochranu.
• Doba do delaminace. Vysoké teploty mohou časem způsobit delaminaci laminátů desek plošných spojů. Nejlepší lamináty se při vysokých teplotách delaminují dlouho.
• Absorpce vlhkosti: Lamináty desek plošných spojů (PCB) musí mít spolehlivé ochranné vlastnosti proti absorpci vlhkosti. Pokud bude deska plošných spojů provozována v kontrolovaném prostředí, například v laboratoři, nemusí být absorpce vlhkosti vysokou prioritou. Pokud však bude deska plošných spojů provozována v prostředí, kde může být vystavena povětrnostním vlivům, bude dostatečná schopnost absorpce vlhkosti zásadní.
• Teplotní rozklad (TD): Teplotní rozklad se vztahuje k teplotě, při které se v důsledku rozkladu ztrácí 5 % hmotnosti laminátu. Vysoká teplota rozkladu poskytuje vynikající ochranu.
• Roztažnost v ose Z: Roztažnost v ose Z se vztahuje k roztažnosti materiálu v ose Z v procentech koeficientu tepelné roztažnosti. Nižší roztažnost v ose Z také poskytuje lepší ochranu.

6. Zarovnání CTE

Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) měří míru roztažnosti materiálu při vystavení vysokým teplotám. Při navrhování desek plošných spojů je ideální, aby dielektrické vrstvy měly CTE podobný měděným vrstvám. Tímto způsobem, pokud se vrstvy roztahují, činí tak rovnoměrně, což vede k minimálnímu poškození.

U vícevrstvé vrstvy, pokud nejsou CTE zarovnány, se vrstvy roztahují zcela odlišnou rychlostí, což může způsobit deformaci a selhání. Pokud k tomuto nerovnoměrnému roztahování dojde během osazování desky plošných spojů, může toto špatné zarovnání také způsobit vážné problémy při vrtání.

Výběr materiálů pro desky plošných spojů s nižším součinitelem tepelné roztažnosti (CTE) pomáhá předcházet přehřátí. Například PTFE plněný tkaným sklem nebo mikroskleněnými vlákny má vynikající elektrický výkon, ale vysoký CTE. Díky tomu je tento materiál špatnou volbou, pokud je tepelná odolnost nejvyšší prioritou. Keramicky plněný PTFE má naopak nižší CTE a funguje mnohem lépe při vysokých teplotách, i když obětuje část elektrického výkonu.

7. Dodržování dostatečných intervalů

Určení rozteče mezi součástkami na desce plošných spojů může být složitý proces. Pokud jsou součástky na desce umístěny příliš blízko sebe, může docházet k přeslechům, což znamená, že různé součástky mohou vzájemně interagovat nežádoucím způsobem. Tyto nežádoucí interakce vedou k tzv. skin efektu. Když dojde ke skin efektu, odpor obvodu se zvýší, což vede k odporovým ztrátám a dalšímu ohřevu obvodu. Skin efekt je obzvláště častý u vysokofrekvenčních desek plošných spojů, takže inženýři musí věnovat zvláštní pozornost rozteči mezi součástkami, aby zabránili přehřátí desek.

8. Správná integrace tepelných trubek

Tepelné trubice v desce plošných spojů mohou také pomoci odvádět teplo. Kapalina v trubicích může absorbovat teplo a zabránit poškození součástek na desce.

9. Maximalizace RTI a MOT

Relativní tepelný index (RTI) a maximální provozní teplota (MOT) jsou dvě důležitá měření, kterým musí inženýři při navrhování desek plošných spojů věnovat velkou pozornost.

RTI označuje nejvyšší teplotu, kterou materiál snese, aniž by se změnily jeho vlastnosti nebo snížil jeho výkon. MOT označuje nejvyšší teplotu, kterou může konkrétní konfigurace desek plošných spojů snést, aniž by se změnily jeho vlastnosti nebo snížil jeho výkon. Inženýři musí při navrhování desek plošných spojů zvážit oba tyto parametry a vybrat materiály a součástky obvodů se spolehlivou tepelnou odolností, jak je definováno těmito parametry.

Pro veškeré potřeby týkající se DPS kontaktujte MCL

Pokud potřebujete desky plošných spojů určené pro regulaci teploty, obraťte se na společnost Millenium Circuits Limited jako na důvěryhodného dodavatele inženýrských řešení. Naše vysokoteplotní lamináty plošných spojů pomáhají snižovat riziko přehřátí plošných spojů a naše těžké měděné desky plošných spojů a desky plošných spojů s vysokým TG mají vynikající odolnost proti vysokým teplotám. Můžeme vám také pomoci s návrhem zakázkových desek plošných spojů dle vašich specifikací.

Kontaktujte nás ještě dnes pro cenovou nabídku nebo pro více informací.

Vyžádejte si nezávaznou cenovou nabídku

1. PCB chladiče
2. Průvodce problémy se zvedáním desek plošných spojů
3. Vysokoteplotní lamináty pro desky plošných spojů
4. Průvodce výběrem materiálů pro desky plošných spojů
5. Průvodce výztuhami pro plošné spoje
6. Průvodce problémy s CAF na desce plošných spojů
7. Průvodce metodami uzemnění desek plošných spojů
8. Průvodce metodami testování desek plošných spojů
9. Průvodce po PCB Gold Fingers
10. Průvodce citlivostí desek plošných spojů na vlhkost

Teplotní senzor LM35: Kompletní průvodce Teplotní senzory LM35 jsou elektrická zařízení, která detekují a měří chlad nebo teplo a poté je převádějí na elektrické signály. Typy senzorů sahají od mechanických (teploměry), elektrických (termistor nebo termočlánek) až po integrované obvody (řady MCPXXXX, LMXX nebo ADTXX).

Vysokorychlostní deska plošných spojů: Podrobný průvodce Většina běžných inženýrských projektů nepochybně používá standardní návrh desek plošných spojů. Navíc tradiční desky plošných spojů nemohou fungovat pro všechno. Pokud se tedy zabýváte pokročilou aplikací, budete potřebovat vysokorychlostní desku plošných spojů. Nicméně návrh vysokorychlostní desky.

Průvodce návrhem desek plošných spojů Desky plošných spojů, známé také jako PCB, tvoří páteř každého dnešního elektronického zařízení. Tyto malé a ekologické součástky jsou nezbytné jak pro domácí spotřebiče, tak pro průmyslové stroje. Návrh a rozvržení desky plošných spojů je důležitou součástí fungování jakéhokoli

Návrh výkonné desky plošných spojů ve vysokoteplotním prostředí Vícevrstvé desky plošných spojů, jako nejběžnější platforma integrovaných součástek, spojují desky plošných spojů a součástky dohromady. Vzhledem k tomu, že elektronické výrobky se stávají lehkými, tenkými a malými a mají vysoký výkon, integrované součástky se stávají stále populárnějšími.

Desky plošných spojů (PCB) jsou základem většiny moderních elektronických zařízení, od mobilních telefonů až po složité průmyslové systémy. Každý prvek této technologie vyžaduje přesný přístup, zejména pokud jde o výběr materiálů pro jejich výrobu. Materiály použité v procesu tvorby desek plošných spojů přímo ovlivňují jejich trvanlivost, funkčnost a celkový výkon. V tomto článku se podíváme na to, jak správná volba materiálů může tyto vlastnosti ovlivnit a jaké faktory je třeba při jejich výběru zohlednit.

Důležitost výběru materiálu pro desky plošných spojů

Správná volba materiálu desky plošných spojů není jen otázkou ceny, ale také základem pro trvanlivost a účinnost zařízení. Platforma, na které budou elektronické součástky umístěny, musí mít vysokou mechanickou pevnost, odolnost vůči teplotním výkyvům, chemikáliím a mechanickému poškození. V opačném případě nemusí ani ty nejkvalitnější součástky plnit své funkce nebo selhat v raných fázích provozu.

Pro výrobu PP se obvykle používají následující materiály:

• Fenolická pryskyřiceToto je jedna z nejlevnějších možností pro jednoduchá elektronická zařízení. Takové desky však mají omezené teplotní charakteristiky a nejsou příliš odolné vůči mechanickému poškození.
• Epoxidové pryskyřiceEpoxidové desky, jeden z nejběžnějších materiálů používaných pro středně složité desky plošných spojů, mají dobrou mechanickou pevnost a chemickou odolnost, ale mají omezený teplotní rozsah.
• Teflon (PTFE)Tento materiál má vynikající izolační vlastnosti a také vysokou tepelnou odolnost. Používá se v oblastech, kde je důležitá odolnost vůči vysokým teplotám, například v rádiofrekvenčních systémech.
• Hliníkové a měděné základnyPoužívá se ve složitějších a vysoce zatížených systémech. Takové desky poskytují dobrý odvod tepla a jsou schopny odolávat vysokým teplotám, což je důležité pro výkonná zařízení, jako jsou výkonové zesilovače a mikroprocesory.

Výběr materiálu vždy závisí na specifikách zařízení a podmínkách, ve kterých bude používáno.

Jak materiály ovlivňují trvanlivost desek plošných spojů?

Trvanlivost desky plošných spojů přímo závisí na pevnosti a odolnosti materiálu vůči vnějším vlivům. Plošiny vyrobené z levných a méně odolných materiálů rychle ztrácejí své vlastnosti při dlouhodobém působení tepla, vlhkosti nebo mechanického zatížení. Pro vysoce zatížené a kritické oblasti, jako je průmyslová automatizace, automobilové inženýrství nebo lékařská technologie, je nutné volit materiály s vysokou odolností vůči vnějším vlivům.

Zde je návod, jak různé materiály mohou ovlivnit trvanlivost:

• Vysoká teplotní odolnost – PP vyrobený z epoxidových a fenolických pryskyřic nesnáší dlouhodobé vystavení vysokým teplotám, což může vést k jeho deformaci. Teflon a kovové materiály snesou mnohem vyšší teploty.
• Chemická odolnost – V oblastech, kde jsou desky vystaveny agresivním chemikáliím (např. v chemickém průmyslu), je důležité používat odolnější materiály, jako jsou sklolaminát nebo kompozitní materiály.
• Mechanická síla – Pro použití v podmínkách, kde je možný náraz nebo vibrace, je nutné použít pevnější a odolnější materiály, jako jsou hliníkové základny.

Kromě toho se pro zvýšení trvanlivosti a ochrany před vlivy prostředí používají různé nátěry, například lak pro ochranu proti korozi a zvýšenou odolnost proti opotřebení.

Jak vybrat materiály pro desky plošných spojů v závislosti na funkčnosti zařízení?

Volba materiálu desky plošných spojů úzce souvisí s požadavky na funkčnost zařízení. Je důležité zvážit, jaké úkoly bude zařízení vykonávat, za jakých podmínek bude fungovat a jaké parametry jsou pro jeho provoz kritické. Například pro zařízení, které bude pracovat při zvýšeném zatížení nebo vysokých teplotách, je důležité zvolit materiál s vysokou tepelnou vodivostí, aby se teplo efektivně odvádělo.

Při výběru materiálu je třeba zvážit několik důležitých faktorů:

• Tepelná vodivostU výkonných elektronických zařízení je vysoká tepelná vodivost důležitá, aby se zabránilo přehřátí.
• Elektrické vlastnostiV některých případech je důležité, aby materiál měl nízkou permitivitu nebo vysoký odpor.
• Odolnost vůči vlivům prostředíU zařízení, která budou pracovat v náročných podmínkách (například venku, v agresivním chemickém prostředí), je zásadní vybrat materiály odolné vůči korozi a chemickým vlivům.

Kupte si desky plošných spojů s perfektními materiály pro váš projekt

V internetovém obchodě Elektronika+ Nabízíme širokou škálu desek plošných spojů vyrobených z různých materiálů, které jsou ideální pro širokou škálu aplikací. Naši specialisté vám pomohou vybrat nejlepší řešení pro váš projekt s ohledem na všechny charakteristiky, jako je odolnost, funkčnost a specifické požadavky.

• Desky plošných spojů pro průmysl – spolehlivost a trvanlivost pro složité projekty.
• Desky plošných spojů pro high-tech zařízení – materiály s vysokou teplotní a chemickou odolností.
• Individuální objednávky – návrh a výroba desek dle individuálních požadavků.

Nenechte si ujít příležitost objednat si vysoce kvalitní desky plošných spojů s optimálními materiály pro váš projekt. Kontaktujte nás hned teď a získejte perfektní řešení pro vaše potřeby!

Pojďme diskutovat o projektu nebo poskytnout konzultaci