Taal wijzigen
Introductie
Dit PCBTok- artikel bespreekt een aantal cruciale redenen waarom we de temperatuur van printplaten moeten bewaken en hoe nauwkeurige metingen belangrijk zijn voor het verbeteren van de prestaties en levensduur van printplaten. Betrouwbaarheid vereist inzicht in de temperatuur; zelfs kleine temperatuurschommelingen hebben een grote impact. Laten we beginnen met de belangrijkste punten.
PCB-temperatuur:
Dat is de temperatuur van je printplaat in graden Celsius. Dit is essentieel om te weten, zodat je zeker weet dat je printplaat goed functioneert. Hoge temperaturen kunnen namelijk de prestaties en duurzaamheid beïnvloeden. Verschillende printplaatmaterialen hebben verschillende temperatuurlimieten. FR-4 printplaten kunnen bijvoorbeeld temperaturen tot 110 °C verdragen. Er bestaan ook printplaten die hogere temperaturen aankunnen dan de hierboven genoemde. Sommige zijn zelfs ontworpen om temperaturen boven de 150 °C te weerstaan. Het gebruikte materiaal bepaalt echter altijd de temperatuurlimiet van de printplaat.
Hoe meet je de PCB-temperatuur?
Het opsporen van hete plekken en stroomverslindende IC's op een chip vereist temperatuurbewaking. Dit is een manier om problemen vroegtijdig te signaleren. Controleer echter eerst hoeveel thermische uitzetting uw printplaat kan verdragen. Bij meerlaagse printplaten moet u ervoor zorgen dat de thermische uitzettingscoëfficiënten (CTE's) op elkaar zijn afgestemd. De CTE is een maatstaf voor de mate waarin materialen uitzetten bij warmte. Uitgelijnde lagen voorkomen uitzettingsproblemen en zorgen voor een langere levensduur.
Zoek naar de warmtebron
Bepaal wat de belangrijkste warmtebron op je printplaat is. Meestal is dat de microcontroller of microprocessor . Dit helpt je precies te weten wanneer de temperatuur een bepaald niveau heeft bereikt. Deze componenten op de printplaat genereren de meeste warmte. Om oververhitting en schade te voorkomen, moeten ze in de gaten gehouden worden. Identificeer eerst het warmste deel van je printplaat.
Zorg ervoor dat de PCB-temperatuursensor op zijn plaats zit
Zorg ervoor dat de temperatuursensor op de printplaat correct is geïnstalleerd. Componenten kunnen door hitte beschadigd raken, daarom is het cruciaal om de temperatuur te bewaken. De temperatuur kan worden gemeten met sensoren die op het oppervlak of op de printplaat zijn gemonteerd. Realtime gegevens van deze sensoren helpen u oververhitting te voorkomen.
Zoek de aardingspinnen (GND)
Ongeveer 60%–65% van de warmte wordt via deze pinnen naar de sensor afgevoerd. Door de laagste thermische weerstand van de GND-pinnen te gebruiken , kunt u de sensor correct uitlezen. Een goede verbinding draagt bij aan een goede warmtemeting.
Creëer thermisch evenwicht
Een aardingsvlak zorgt ervoor dat de sensor en de warmtebron in thermisch evenwicht komen. Het garandeert een gelijkmatige warmteverdeling. Nauwkeurige temperatuurmetingen worden gewaarborgd door dit thermisch evenwicht . Omdat de nulde wet van de thermodynamica stelt dat een systeem in thermisch evenwicht dezelfde temperatuur heeft, is de monitoring betrouwbaar.
Sluit GND-pinnen aan
De pinnen moeten met elkaar verbonden zijn. Dit vergemakkelijkt ook de warmteoverdracht, wat zorgt voor betere sensorwaarden. De thermische weerstand neemt af wanneer de GND-pinnen stevig met het aardvlak verbonden zijn.
Behoud de nabijheid
Houd de sensoren zoveel mogelijk dicht bij de warmtebron. Voor nauwkeurige metingen houdt u ze zo dichtbij mogelijk. Dit garandeert dat de sensor de warmte direct van de bron opvangt. Hoe meer sensoren er zijn, hoe dichterbij u temperatuurveranderingen in realtime kunt bewaken.
Welke temperatuur is goed voor een PCB?
Standaard printplaten
FR4 is het meest gebruikte materiaal voor de meeste PCB's. Dit materiaal is een glas-epoxylaminaat. Kan temperaturen van 90 - 110 graden Celsius weerstaan. Voor de prestaties is het belangrijk om binnen dit bereik te blijven. Dat kan leiden tot schade. Als de limieten worden overschreden.
Hoge temperatuur printplaten
Ze kunnen een glasovergangstemperatuur tot 170 graden Celsius weerstaan. Hiervoor worden speciale materialen zoals ISOLA IS410 en ISOLA IS420 gebruikt. ARLON 85N en VT-901 zijn andere opties. Deze materialen garanderen duurzaamheid bij hoge temperaturen.
Wat is de acceptabele temperatuurstijging voor een PCB-tracering?
Er spelen verschillende factoren een rol. Weerstand, stroomsterkte en de toegestane temperatuurstijging maken de lijst met parameters compleet. Meestal wordt een temperatuurstijging van maximaal 10 graden gemeten. Dat is boven de omgevingstemperatuur van 25 graden. Als het materiaal van de printplaat dit toelaat, is een stijging van 20 °C ook mogelijk. Thermisch beheer en energie-efficiëntie zijn het resultaat van deze norm. Het geeft aan hoeveel warmer de printplaatsporen worden. U kunt zelf kiezen hoeveel de temperatuur van uw printplaat mag stijgen. Voor de meeste toepassingen is tien graden een veilige limiet.
Oorzaken van hoge PCB-temperaturen
1. Hoogfrequente circuits
In hoogfrequente circuits ontstaan vaak hoge temperaturen. Ze produceren meer vermogen en meer warmte. Denk bijvoorbeeld aan radiofrequentiecircuits . PCB-technologie groeit, net als de ontwikkeling van printplaten. Ze zijn complex, maar dat heeft vele redenen. Medische apparaten, industriële producten en smartphones maken er gebruik van. Vanwege de warmte die ze genereren, zijn speciale ontwerptechnieken nodig.
2. Afstand tussen componenten in SMD
De temperatuur van de printplaat wordt beïnvloed door de afstand tussen de componenten in SMD- componenten . De functionaliteit van SMD-componenten is hetzelfde als die van doorsteekcomponenten: ze maken verbinding met de printplaat via gaten. Met andere woorden, ze zorgen voor een gelijkmatige stroomverdeling. Zowel SMD- als doorsteekcomponenten vereisen echter de juiste afstand. Als de afstand te groot is, duurt het langer voordat de stroom de componenten bereikt. Sommige componenten koelen daardoor te lang af. Andere componenten kunnen dan juist te warm worden om dit te compenseren. De juiste afstand is daarom cruciaal.
3. Onjuist solderen van koellichaamcomponenten
De doorsteekmontagetechniek wordt gebruikt om de componenten van de koelplaat te monteren . Deze componenten leveren stroom aan de printplaat. Ze moeten de warmte die ze produceren afvoeren, dus moeten ze in de lucht worden gedissipeerd. Warmteafvoer vindt niet altijd plaats als de soldeerverbindingen niet correct zijn. Dit kan oververhitting veroorzaken. Ook andere componenten kunnen de werking van de koelplaat beïnvloeden.
4. Storing van componenten
Kies elk onderdeel voor maximale prestaties. Sommige onderdelen werken niet als ze falen. Het heeft invloed op andere onderdelen. Die extra stress kan oververhitting veroorzaken.
5. Interferentie door het gat
De stroom wordt geleverd via doorsteekcomponenten en koelplaten. Deze genereren warmte en geven die af aan de lucht. Problemen ontstaan als de koelplaat verkeerd gesoldeerd is. De doorsteekverbinding kan ook worden geblokkeerd door andere componenten. Het voordeel hiervan is dat die componenten daardoor meer warmte gaan genereren.
6. Loodvrij soldeer
Hoge temperaturen op printplaten kunnen het gevolg zijn van loodvrij soldeer. Printplaten worden steeds vaker gemaakt van veiligere materialen. Dit is onderdeel van de RoHS-norm. RoHS-gecertificeerde printplaten gebruiken loodvrij soldeer om de risico's te verminderen. Omdat loodvrij soldeer hogere temperaturen vereist om te vloeien, kan het voorkomen dat het niet vloeit. Dit kan de printplaat oververhitten, wat schadelijk kan zijn.
Waarom is het bewaken van de PCB-temperatuur belangrijk?
Verlies van kracht
Overmatige hitte kan de structurele integriteit van een printplaat beschadigen. Temperatuurschommelingen zijn gevoelig voor de lagen van een printplaat . Als de temperatuur te veel stijgt en daalt, zetten de lagen uit en krimpen ze.
Interferentie met circuitpaden
De hoeveelheid warmte die het op een circuitpad kan toepassen, kan buitensporig worden. Het kan ervoor zorgen dat circuits uitzetten en vervolgens van vorm veranderen. Dergelijke verschuivingen en vervormingen zijn inherent hieraan. U kunt ook te maken krijgen met signaalverlies. Het kan de standaard 50 ohm geleiderimpedantie veranderen. Met name millimetergolf- en microgolfcircuits zijn bijzonder kwetsbaar. Kleine componenten raken gemakkelijk beschadigd.
Uitzettingssnelheden van verschillende materialen
Een printplaat heeft twee hoofdtypen lagen. Dit zijn de diëlektrische laag en de geleidende laag. Elk type is gemaakt van verschillende materialen. Wanneer ze worden verhit, zetten ze ongelijkmatig uit. Die ongelijkmatige uitzetting veroorzaakt ernstige problemen. De lagen kunnen van elkaar losraken. Zo'n oververhitte PCB kan veel erger worden. Bij spanning kunnen de lagen barsten. Dit kunnen de barsten zijn die circuitpaden verstoren. Als u ziet, ziet u mogelijk ook prestatieproblemen.
Roest en schade
Het kan ook blootgestelde diëlektrische materialen oxideren. Het is kwetsbaar zonder beschermend laminaat. Dit materiaal zal roesten bij hoge temperaturen. Roest kan echt heel erg zijn. Het kan er goed voor zorgen dat u geen transmissielijnen meer hebt. Het is ook mogelijk dat de dissipatiefactor hoger is. U verspilt dus meer energie in uw circuits. Deze problemen kunnen worden voorkomen door de temperaturen onder controle te houden.
Laagscheiding
Het is belangrijk dat we de temperatuur van de printplaat in de gaten houden om delaminatie te voorkomen . Lagen van de printplaat kunnen loslaten. Dit kan ook gebeuren tussen koperen sporen en het substraat. Het kan ook voorkomen bij het soldeermasker en het basismateriaal ervan. Sommige materialen zetten anders uit dan andere. Dit creëert spanning op de lagen. Uiteindelijk kunnen de lagen uit elkaar trekken. Delaminatie wordt voorkomen door de temperatuur stabiel te houden.
Buigen en draaien van PCB
De PCB kan van vorm veranderen door extreme hitte. Het zet druk op componenten, een verbinding. Dus, als zoiets gebeurt – zullen soldeerpunten barsten. Ze kunnen breken of loskomen. Een paar stukken kunnen helemaal losraken. Dat voorkomt deze problemen door de temperaturen onder controle te houden.
Storingen van componenten
Hitte wordt door verschillende componenten verschillend getolereerd. Problemen kunnen ontstaan door te veel hitte of te veel kou. Gebarsten of vervormde onderdelen zijn wat u ziet. Zelfs interne materialen kunnen kapotgaan. Dat kan kortsluiting of open circuits zijn. Deze problemen kunnen worden vermeden als we de temperatuur in de gaten houden.
Storingen in soldeerverbindingen
Component-naar-PCB-verbinding wordt gemaakt met soldeerpunten. Deze verbindingen kunnen worden beschadigd door zeer hoge temperaturen. Bij hoge hitte kan soldeer smelten. Dit kan leiden tot kortsluiting. Soldeer is bros bij lage temperaturen. Soldeer kan bros zijn en barsten of breken.
Vocht en condensatie
Condensatie kan ontstaan door snelle temperatuurveranderingen. Kortsluitingen kunnen worden veroorzaakt door dit vocht. Het kan ook leiden tot corrosieproblemen. Opgesloten vocht kan bevriezen bij koude temperaturen. Dit kan schade veroorzaken aan de PCB en de componenten ervan. Let op de temperatuurveranderingen van uw PCB.
Hoe de PCB-temperatuur te regelen
heatsinks
Er wordt veel warmte gegenereerd door een PCB. Deze warmte komt van veel componenten. Je moet een manier vinden om van die warmte af te komen. In dit geval zijn heatsinks een goede oplossing. Ze helpen om warmte veilig af te voeren. Het voorkomt schade aan het bord. Als er geen heatsinks zijn, kunnen de componenten vroegtijdig kapotgaan. Je hebt een soort heatsink nodig om de hele PCB te koelen.
laminaten
Hittebestendige laminaten helpen de temperatuur van de printplaat te beheersen. Ze beschermen je vingers tegen brandwonden. Belangrijke eigenschappen bepalen de keuze van het laminaat. Een materiaal met een hogere glasovergangstemperatuur biedt meer bescherming. De tijd tot delaminatie is belangrijk; hoe langer, hoe beter. Vochtabsorptie speelt ook een rol in natte omstandigheden. Een hogere ontledingstemperatuur zorgt voor betere veiligheid. Schade wordt verder beperkt door een lagere uitzettingscoëfficiënt in de z-as.
Plaatbreedte en dikte
De dikte van je printplaat heeft invloed op de warmteafvoer. Dikkere platen geleiden minder warmte en houden daardoor meer warmte vast. Dunne platen zorgen voor een betere warmteafvoer en houden de printplaat koeler. Je moet dus de juiste breedte en dikte voor je ontwerp kiezen. Problemen met oververhitting kunnen worden voorkomen met de juiste afmetingen. Een engineer kan je helpen bij het kiezen van de beste optie. Zo werkt je printplaat optimaal. De plaatdikte en -breedte zijn dan perfect afgestemd op een efficiënte warmteafvoer.
Fans
Ventilatoren worden het vaakst gebruikt om de meeste elektronische apparaten te koelen. Ventilatoren helpen om uw PCB te koelen. In plaats daarvan duwen ze warmte weg van het apparaat. Tegelijkertijd zuigen ze koele lucht aan. Het voorkomt oververhitting van de PCB. Ook helpt een goede luchtstroom de PCB langer mee te gaan. Het verbetert ook de prestaties van het apparaat.
Materialen en componenten overwegen
De warmtebeheersing in printplaten is afhankelijk van de juiste materiaalkeuze. Printplaten van dik koper zijn hittebestendig, sterk en duurzaam. Hoge temperaturen en stromen vormen geen probleem voor ze, waardoor ze uitstekend geschikt zijn voor auto's en vliegtuigen. Het FR-4-materiaal dat veel printplaten gebruiken, is weliswaar vlamvertragend, maar niet erg hittebestendig. Als uw printplaat van FR-4 is gemaakt, aarzel dan niet om de warmteontwikkeling te minimaliseren. RF-materialen en polyimide kunnen ook oververhit raken. In RF-printplaten wordt vaak PTFE gebruikt, maar dit materiaal kan vervormen bij hoge temperaturen.
CTE's uitlijnen
De CTE is een parameter die weergeeft hoeveel een materiaal uitzet bij verhitting. Probeer bij PCB-ontwerp CTE te gebruiken bij de diëlektrische en koperlagen. Hierdoor kunnen lagen gelijkmatig groeien en wordt er veel minder schade veroorzaakt. Lagen zetten niet even snel uit als CTE's niet zijn uitgelijnd. Dit kan leiden tot werk-off- en montageproblemen. Boren kan problematisch zijn. Als u geen oververhitting wilt, kies dan materialen met kleinere CTE's. Het heeft een hoge CTE en is niet ideaal - in plaats daarvan PTFE gevuld met geweven glas. De CTE en warmteprestaties van PTFE keramisch gevuld zijn beter.
Zorg voor voldoende afstand
Het is lastig om de juiste afstand tussen componenten op een printplaat te bepalen. Als componenten te dicht bij elkaar zitten, kan er overspraak ontstaan. Dit betekent simpelweg dat verschillende onderdelen op verschillende en ongewenste manieren met elkaar in wisselwerking staan. Hierdoor ontstaan weerstandsverliezen, die ook extra warmte genereren. Dit is vaak een probleem bij printplaten voor hoge frequenties . Daarom is het essentieel om rekening te houden met de afstand tussen de componenten.
Heatpipes correct integreren
Door heatpipes in een PCB te plaatsen, wordt de warmte beheerd. Maar de aandrijfpijpen absorberen de warmte en beschermen hun componenten. Kleine apparaten passen er goed in. Het gebruik van heatpipes kan andere problemen oplossen, als uw apparaat een beperkte ruimte heeft. Ammoniak of water is wat ze vervoeren. Het neemt de warmte op en verandert in damp. Dit koelt de PCB ook heel goed. Het juiste gebruik van heatpipes beschermt tegen hitteschade.
Relatieve thermische index en maximale bedrijfstemperatuur
Relatieve thermische index (RTI) is het vermogen van een materiaal om warmte te verwerken. Het vertelt je wat de hoogste temperatuur is die je uit het materiaal kunt halen zonder het te beschadigen. Dat is de maximale bedrijfstemperatuur van een PCB. Als je deze getallen echter negeert, kan het bord kapotgaan. Gebruik materialen die niet goed warm worden.
Veelgestelde vragen over PCB-temperatuur
Wat gebeurt er als de temperatuur te hoog oploopt?
Bij temperaturen boven de 50°C of 100°C kunnen er problemen ontstaan. Als wat er getrokken wordt werkt op een FR4-bord, zou het ook moeten kunnen werken met een koperen spoor op een FRXNUMX-bord. Nabijgelegen componenten worden echter ook beïnvloed. Dat verhoogt hun temperatuur te hoog. Het kan de integriteit van uw bord in gevaar brengen. U kunt ook vermogensverlies zien. Soms moet u de temperaturen nauwlettend in de gaten houden om schade te voorkomen.
Kan een hoge temperatuur een printplaat beschadigen?
Een printplaat kan beschadigd raken door hoge temperaturen. Problemen zoals het loslaten van soldeerverbindingen en het demonteren van lagen worden veroorzaakt door hitte. Ook componenten kunnen beschadigd raken. De meeste standaard FR-4 printplaten werken bij temperaturen van 130-140 °C. Keramische printplaten kunnen worden gebruikt bij temperaturen boven de 350 °C. Kies altijd de juiste materialen voor de toepassing. Soldeerverbindingen zijn gevoelig voor beschadiging door hitte. Hitte kan componenten aantasten of zelfs volledig uitschakelen. Bij koude soldeerverbindingen breken de verbindingen.
Moeten HDI-PCB's speciale aandacht krijgen wat betreft de PCB-temperatuur?
Zoals we weten, vereisen printplaten met een hoog vermogen en een hoge dichtheid speciale zorg. Ze genereren veel warmte. Betere strategieën voor thermisch beheer zijn noodzakelijk. Het is wellicht niet voldoende om alleen de basiscomponenten te koelen. Gezien de geavanceerde koeloplossingen die deze printplaten vaak nodig hebben, is een goede pasvorm essentieel. Als het gebruik van koelribben of ventilatoren niet ideaal is, overweeg dan parallelle koelpaden. Dit zorgt voor een goede warmteafvoer van uw printplaat. Het draagt ook bij aan betere prestaties en een langere levensduur. Houd altijd rekening met warmteafvoer in uw ontwerp.
Kan een PCB gedurende korte tijd een hogere temperatuur dan de limiet aan?
Er kan geen directe schade optreden, zelfs niet bij korte blootstelling. Het is echter niet aan te raden. De PCB wordt ook beschadigd door hoge temperaturen, zelfs bij korte blootstelling. Over het algemeen kan materiaaldefect het gevolg zijn van langdurige blootstelling. Storingen kunnen toenemen door herhaalde hittecycli. Het kan uw circuits meer of minder betrouwbaar maken. Er worden temperatuurbeperkingen opgelegd, die nodig zijn voor veilige werking. Het helpt uw PCB langer mee te laten gaan. Door deze te gebruiken, blijven de prestaties en betrouwbaarheid op peil.
Conclusie
Met deze PCBTok-blog hebben we de belangrijkste vragen over PCB's en temperatuurbeheer onderzocht. Vervolgens hebben we het gehad over hoe hoge temperaturen PCB's degraderen en waar ze op letten als het gaat om ontwerpen met een hoog vermogen. We hebben ook onderzocht of PCB's korte tijd bij temperaturen hoger dan de toegestane maximumtemperaturen kunnen werken.
