روش های کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

اگر به سوختن و از کار افتادن مدارات الکترونیکی توجه کرده باشید، متوجه می شوید که سوختن PCB ها و مدارات الکترونیکی همواره با ایجاد حرارت همراه بوده و اکثر آسیب ها به PCB ها به خاطر دفع نشدن حرارت تولیدی توسط قطعات و یا ترکیدن قطعات و یا آرک و جرقه بر روی مدارات الکترونیکی است.

در ادامه قصد داریم تا به شما روش ها، تکنیک ها و نکاتی را آموزش دهیم تا بتوانید به کمک آن ها و رعایت این نکات، کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی را شاهد باشید.

علم الکترونیک روز به روز در حال گسترش است و این گسترش باعث پدید آمدن قطعات الکترونیکی پر قدرت مثل : پردازنده ها، ماسفت ها، انواع LED ها، IGBT ها و… شده است.

همانطور که می دانید، در این پیشرفت و گسترش علم الکترونیک، شاهد کاهش سایز قطعات و کوچک تر شدن مدارات الکترونیکی هستیم. اما این کوچک تر شدن قطعات الکترونیکی باعث متمرکز شدن بیشتر حرارت در یک نقطه کوچک تر می شود و این به معنی جمع شدن حرارت تولیدی از یک قطعه در محلی کوچک تر است.

به همین دلیل باید تکنیک های مدیریت حرارت برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی را یاد داشته باشید.

عملکرد حرارتی مدارات الکترونیکی یکی از مهم ترین عواملی است که در محصولات الکترونیکی باید به آن توجه شود. برای مقابله با مشکلات حرارتی، طراحان باید از تکنیک هایی کمک بگیرند که باعث کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی می شود.

مدیریت حرارتی PCB و مدل سازی حرارتی چیست؟

مدل سازی حرارتی یک ابزار و عملیات مهم و کاربردی است که برای انجام تحلیل شکست حرارتی استفاده می شود. این کار به طراحان دید خوبی برای طراحی مدارات الکترونیکی می دهد و همچنین به انتخاب بهتر خنک کننده و المان های دفع حرارت کمک می کند.

طراحان PCB می توانند با استفاده از نرم افزار های مدل سازی مناسب، بهترین چینش و طراحی را برای PCB های خود انتخاب کنند.

در اینجا ما به چند مورد از تکنیک های مدیریت حرارت برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی اشاره کرده ایم.

12 تکنیک مدیریت حرارت برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

همانطور که گفته شد می خواهیم به تکنیک های کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی بپردازیم، اما به این نکته توجه داشته باشید که نکات فراوانی وجود دارد که در اینجا به چند مورد از مهم ترین های آن ها اشاره می شود.

1- شناسایی نقاط حرارتی PCB و ترک های جریانی

برای ساخت یک PCB با پایداری حرارتی بالا، باید در طول طراحی مواردی که اثر حرارتی بر PCB می گذارند را مورد توجه قرار داد.

اولین گام برای طراحی PCB با پایداری حرارتی مناسب، شناسایی نقاط حرارتی PCB است.

از مدل سازی حرارتی یا تکنیک های شبیه سازی حرارتی برای یافتن نقاط حرارتی PCB استفاده می شود. همچنین باید تجزیه و تحلیل جریانی در کنار آن ها انجام شود، زیرا عبور جریان زیاد از ترک باعث تولید گرما می شود.

چینش مناسب قطعات و در نظر گرفتن جریان کشی قسمت های مختلف مدار باعث می شود تا حرارت ایجاد شده به صورت یکنواخت پخش شود. برای مسیر یابی ترک هایی که جریان کشی دارند بهتر است این ترک ها از نزدیکی قطعات و قسمت های حساس مثل : آپ امپ ها، می کروکنترلر، سنسور ها و… عبور نکنند.

2- ضخامت مس و عرض ترک ها

• ضخامت مس و عرض ترک ها و پد ها نقش مهمی در طراحی PCB با پایداری حرارتی بالا دارند.
• عرض ترک های مسی رابطه مستقیمی با امپدانس آن دارد. هرچه عرض سطح مسی ترک ها بیشتر باشد، امپدانس ترک ها کاهش پیدا می کند پس به تبع آن جریان بیشتری می تواند عبور کند.
• مقاومت ترک ها و مسیر های مسی باعث تلفات قابل توجه توان و ایجاد گرما می شود، به ویژه وقتی که چگالی و حجم جریان عبوری زیاد باشد.
• پس بهترین راه برای کاهش این مقاومت، افزایش عرض ترک و ضخامت سطح مسی ترک می باشد.

3- طراحی پد ها برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

• درست مثل ضخامت ترک ها، ضخامت پد ها نیز اهمیت بالایی دارد. گرما و حرارت تولید شده توسط قطعا، مستقیما به سطح مسی PCB انتقال پیدا می کند. بنابراین هرچه ضخامت و مساحت بیشتری داشته باشد، پخش حرارت بهتر انجام می شود.
• اگر در طراحی از هیت سینک استفاده می کنید، معمولا این هیت سینک ها بر روی PCB به لایه Bottom Layer لحیم می شوند. پس می توانید پد های مسی Bottom Layer را بزرگتر در نظر بگیرید تا حرارت، بهتر به هیت سینک منتقل شود.
• پین های قطعات الکترونیکی به پد های روی PCB متصل می شوند و در اکثر مواقع در نزدیکی این پدها، مخصوصا پد هایی که به GND وصل هستند، در هنگام لحیم کاری به علت بزرگ بودن مساحت پوشش مسی دور پد و نزدیکی پد باعث به وجود آمدن مقاومت حرارتی بسیار کمی می شود و لحیم به خوبی ذوب نمی شود و حرارت به اطراف منتقل می شود. در نزدیکی پد ها می توانید از پد های حرارتی استفاده کنید تا هنگام مونتاژ پد های قطعات، به مشکل لحیم کاری بر نخورید.

4- محل قرار دادن قطعات با توان بالا در PCB و مدارات الکترونیکی

برای دفع بهتر حرارت، قطعات پر مصرف مثل پردازنده ها را در مرکز PCB قرار دهید. اگر از یک قطعه پر مصرف در لبه های PCB استفاده کنید، گرما و حرارت ایجاد شده در یک لبه جمع می شود و به خوبی پخش نمی شود. اما اگر این قطعه در مرکز PCB قرار بگیرد، گرمای ایجاد شده به طور مناسب پخش می شود.

و همچنین برای دفع حرارت بعضی قطعات بهتر است آن ها را در مرکز قرار ندهید!! بله قطعاتی مثل ترانزیستور های THD که می توان برای خنک کردن آن ها از هیت سینک ها استفاده کرد بهتر است در مرکز قرار نگیرند و حرارت آن ها با هیت سینک دفع شود.

همچنین سعی کنید قطعات با توان مصرفی بالا را از هم با فاصله قرار دهید تا حرارت ایجاد شده به طور مساوی پحش شود، سعی کنید قطعات پر مصرف را در نقاط مختلف PCB پخش کنید تا شاهد کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی باشید.

5- استفاده از Thermal Via برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

وایا حرارتی یکی ار ساده ترین راه ها برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی است. ( کلمه Via به شیوه های مختلفی در زبان فارسی بین افراد بیان می شود، که در این مقاله منظور از : وایا، ویا، Via دقیقا یک چیز است) قبل از هرچیزی بهتر است با مفهوم مقاومت حرارتی آشنا شویم .

مقاومت حرارتی یک ویژگی گرمایی (فیزیکی) می باشد که نشان دهنده مقاومت هر ماده در مقابل انتقال حرارت در اثر تفاوت دما است. مقاومت حرارتی با R نشان داده می شود که دارای واحد m2K)/W) می‌باشد.

نحوه محاسبه مقاومت حرارتی هم بسیار ساده است .

فرمول محاسبه مقاومت حرارتی : اختلاف دما بین دو نقطه تقسیم بر حرارت نقطه مورد نظر

از فرمول بالا می توان نتیجه گرفت که هرچه مقاومت حرارتی کمتر باشد، انتقال حرارت و دفع حرارت بهتر انجام می شود. هرچه قطر و ضخامت و در کل سطح مقطع مسی بیشتری وجود داشته باشد، مقاومت حرارتی پایین تر می آید به همین دلیل همیشه توصیه می شود تا حد امکان ترک ها و قطر وایا ها و پد ها را بزرگتر در نظر بگیرید.

برای افزایش سرعت انتقال حرارت، Thermal Via ها گزینه خوبی هستند.

وایا های حرارتی، استوانه های مسی هستند که یک مسیر با مقاومت حرارتی پایین ایجاد می کنند تا حرارت از Top Layer به Bottom Layer و بلعکس انتقال پیدا کند.

این وایا ها دقیقا در زیر قطعاتی که تولید گرما دارند قرار می گیرند و فرآیند هدایت و انتقال حرارت را بهبود می بخشند.

ساختار Thermal Via ها

برای طراحی یک وایا حرارتی هیچ استاندارد معینی وجود ندارد و با توجه به محل استفاده و میزان تولید حرارت می توانید از وایا حرارتی با ویژگی متفاوت استفاده کنید.

• یک استوانه مسی که به کمک آن می توان حرارت را به لایه زیر انتقال داد و از سطح مسی بیشتری برای خنک کاری و پخش حرارت کمک گرفت.
• وایا های حرارتی معمولا به کمک Solder Mask پوشیده می شوند تا به بدنه قطعه اتصال نداشته باشند، اما در مواردی هم عکس این عمل باید انجام شود و وایا باید به پد و بدنه قطعه لحیم شود تا انتقال حرارت بهتری انجام شود. مثل رگولاتور ها
• معمولا ابعاد وایا های حرارتی استاندارد مشخص شده ای ندارند اما معمولا با قطر سوراخ 0.3 میلی متر و قطر مس 0.7 از آن ها استفاده می شود.
• در لایه زیرین که وایا به آن ختم می شود حتما از پوشش مسی بزرگی مثل Fill استفاده کنید تا حرارت پخش شود، اگر انتهای وایا حرارتی به سطح مسی بزرگی ختم نشود، عملا کاربرد خود را از دست می دهد و تاثیر چندانی بر انتقال حرارت تولید شده ندارد.

قرارگیری وایا های حرارتی برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

تعیین مکان وایا های حرارتی و ترتیب و نحوه چینش آن ها بسیار مهم است. و همچنین باید بدانید که ظریب انتقال حرارت وایا های حرارتی از جنس هسته PCB FR-4 بیشتر است.

نکته قابل توجه این است که هر Via دارای اندوکتانس است و حقیقت جالب اینجاست که اگر وایا ها به صورت موازی کنار هم قرار بگیرند و به زمین مدار متصل شوند، عملا یک مسیر بازگشت سیگنال با کمترین اندوکتانس را ایجاد کرده اند .

با این حال تا جایی که امکان دارد سعی کنید وایا های حرارتی را نزدیک به هم قرار دهید. این کار باعث پایین آمدن مقاومت حرارتی میشود و انتقال حرارت بهتر صورت می گیرد. تعداد وایا های حرارتی و مساحت استفاده از آن ها در زیر پردازنده ها باید با توجه به توان و میزان تولید حرارت پردازنده انتخاب شود.

اگر تعداد وایا ها در یک PCB بیشتر از حد معمول شود، طبیعتا در هزینه تولید و زمان تولید تاثیر گذار است. پس می توانید در مواردی هم به جای بالا بردن تعداد وایا های حرارتی، قطر آن ها را بیشتر کنید.

محدودیت های Thermal Via ها

• به حداقل دو لایه مسی احتیاج دارید تا بتوانید حرارت را انتقال دهید.
• تاثیر گذاری بر انتقال حرارت در همان منطقه که استفاده می شوند، نه بیشتر از آن.

مزایای استفاده از وایا های حرارتی در PCB

• ارزان
• راحتی کاربرد
• بهبود مسیر برگشت سیگنال ها در صورت اتصال به زمین مدار
• مطابق با استاندارد های IPC-2152 برای عملکرد حرارتی PCB است.

6- هیت سینک Heat Sink

استفاده از هیت سینک یک راه دیگر برای انتقال حرارت ایجاد شده توسط قطعات الکترونیکی است.

هیت سینک بر اساس اصل رسانایی حرارتی فلزات عمل می کند و گرما را از منطقه ای با مقاومت حرارتی بالا به یک ناحیه با مقاومت حرارتی پایین تر منتقل می کند.

هیت سینک ها معمولا شکل پره ای دارند تا حرارت تولیدی را به سطح بزرگتری انتقال دهند که بیشتر در معرض عبور جریان هوا باشد تا گرما راحت تر دفع شود.

هیت سینک ها دارای پارامتر های مختلفی هستند که طراح می تواند با توجه به آن ها، از هیت سینک مناسب برای دفع حرارت استفاده کند. مثل : مقاومت حرارتی جنس هیت سینک، تعداد پره های هیت سینک، فاصله پره های هیت سینک، روش نصب، محل نصب و…

7- استفاده از لوله های حرارتی خنک کننده برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

لوله های حرارتی یا به اصطلاح لوله های مسی، وسیله خنک کننده ای هستند که برای کاربرد های با دمای بالاتر، مثل موشک ها و ماهواره ها استفاده می شود.

این لوله های حرارتی، اکثرا به شکل استوانه تو خالی هستند که می توان آن ها را به هر شکلی درآورد.

گرمای تولید شده در مدار الکترونیکی به داخل لوله های حرارتی منتقل شده و مایع داخل لوله را تبخیر می کند. مایع تبخیر شده به انتهای لوله منتقل می شود و جای خود را با مایع خنک تر عوض می کند. این فرآیند معمولا به تبخیر مایع منجر نمی شود و در اکثر مواقع این عملیات به صورت گردش آب در لوله ها انجام می شود.

طراح باید طوری لوله های حرارتی را در نظر بگیرد که بتواند حداکثر حرارت تولید شده توسط قطعات تولید کننده گرما را به این لوله ها انتقال دهد.

چون لوله های حرارتی شکل استوانه ای دارند نمی توان آن ها را به خوبی به منبع تولید کننده حرارت متصل کرد و همچنین خم کردن آن ها به راحتی نیست و فضای زیادی را اشغال می کند، به همین دلیل در اکثر مواقع از ترکیب هیت سینک و لوله حرارتی که جریان آب در آن جریان دارد استفاده می شود.

طیف گسترده ای از سیالات در داخل لوله های حرارتی استفاده می شود، از آب گرفته، تا نیتروژن و هیدروژن مایع. باید با توجه به محدوده دمایی، سازگاری شیمیایی سیال، و جنس لوله از سیالات مناسب استفاده شود.

8- استفاده از PCB های ضخیم تر برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

برای مدارات و PCB های کوچک، استفاده از لوله های حرارتی و هیت سینک اصلا مناسب نیست. در چنین مواقعی بهترین راه افزایش هدایت حرارتی برد و پخش گرمای تولید شده است. PCB های نسبتا بزرگ و ضخیم می توانند حرارت بیشتری را در خود پخش کنند و از متمرکز شدن حرارت در یک نقطه جلوگیری کنند.

هدایت حرارتی PCB بر اساس ضریب انبساط حرارتی یا به اخصار CTE مواد استفاده شده و ضخامت آن ها در سابستریت PCB است.

طراحان باید توجه ویژه ای به انتخاب سابستریت در Stack Up خود داشته باشند، هنگامی که ضریب انبساط حرارتی مواد مختلف مورد استفاده در لایه های مختلف با هم مطابقت نداشته باشد، باعث ایجاد یک چرخه حرارتی مکرر در بین لایه های PCB می شود و به زبان ساده، حرارت در داخل PCB محصور می شود و هدایت حرارتی به جای بیشتر شدن، کمتر می شود!!!

آبکاری های داخل وایا ها معمولا در برابر گرما مقاومت کمتری دارند و زودتر از هسته PCB آسیب می بینند.

9- روش خنک کنندگی یکپارچه برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

از این روش برای رسیدن به ضریب هدایت حرارتی مناسب و تقریبا برابر با روش های استفاده از فن و هیت سینک و لوله حرارتی و…. استفاده می کنند.

عملکرد کلی در این روش به این شکل است که یک عامل خنک کننده که اکثرا هم هوای سرد است به طور مستقیم و اختصاصی از طریق یک وایا به زیر پردازنده دمیده می شود، این جریان هوا چون از زیر به قطعه دمیده می شود، در نزدیک ترین حالت ممکن به قطعه و مخصوصا پروسسور در میکرو کنترلر ها است.

در بعضی موارد هم به جای یک وایا، از چندین وایا برای این عملیات استفاده می شود که با توجه به دمای هوای دمیده شده و سطح قطعه می تواند متفاوت باشد.

انواع روش های دیگری از این نوع دفع حرارت وجود دارد. به عنوان مثال : روش دفع حرارت داخلی که در تصویر پایین مشاهده می کنید.

در این روش یک مبدل حرارتی و همانند لوله های حرارتی در داخل لایه های PCB تعبیه شده و با دمیده شدن جریان هوای خنک در داخل آن، باعث انتقال حرارت به بیرون می شوند. در این روش چون نیاز به هیت سینک نیست یا خنک کننده های دیگر نیست، مراحل مونتاژ PCB و وزن نهایی محصول کاهش پیدا می کند.

10- استفاده از فن خنک کننده برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

ما در این مقاله روش های مختلفی مثل : هیت سینک ها، لوله های حرارتی، وایا های حرارتی و… را بررسی کردیم، همه این روش ها به نوعی حرارت را انتقال می دهند و به مدیریت حرارت در PCB کمک زیادی می کنند اما در بعضی مواقع کافی نیستند و قطعات حرارت بیشتری تولید می کنند.

فن خنک کننده با استفاده از روش انتقال حرارت همرفتی عمل می کند که روشی بسیار خوب برای کم کردن حرارت تولیدی توسط قطعات است .

توانایی خنک کنندگی فن به دریچه خروجی هوا در باکس ها وابسته است.

طراح باید هنگام طراحی و انتخاب فن مواردی مانند اصطکاک، اندازه، نویز، هزینه، عملکرد، نیاز به تغذیه و… را در نظر بگیرد.

11- لحیم کاری یکدست برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

ضخامت و حجم لحیم کاری پایه قطعات در PCB باید یکسان باشد تا از انباشته شدن حرارت تولیدی توسط قطعه در یک نقطه جلوگیری شود .

هنگام لحیم کاری در نزدیکی وایا ها دقت کنید. این احتمال وجود دارد که قلع از داخل وایا به پایین وایا و لایه زیرین نفوذ کند و در آنجا برآمدگی به وجود بیاورد .

طراحان PCB برای جلوگیری از این اتفاق می توانند از دو راح حل کمک بگیرند .

اولین راه کاهش قطر وایا به 0.3 میلی متر است. هرچه قطر مس پد وایا کوچک تر باشد، کشش سطحی لحیم داخل پد کمتر است و یا به عبارت دیگر، بهتر می تواند در مقابل جاذبه مقاومت کند و سر ریز نکند.

راه دوم، تنت ( Tenting ) کردن وایا است. در این روش به کمک پوشش سولدر ماسک روی Via را با رنگ می پوشانیم تا از راه پیدا کردن لحیم به داخل وایا جلوگیری کنیم.

12- استفاده از المان های خنک کننده ( TEC ) برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی

با گذر زمان روز به روز شاهد پیشرفت های عجیبی در زمینه خنک کنندگی قطعات هستیم .

المان های خنک کننده از اثر ترموالکتریکی برای خنک سازی استفاده می کنند. اثر گرمابرقی یا اثر ترموالکتریک تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی یا برعکس آن توسط ترموکوپل است. یک دستگاه ترموالکتریک وسیله‌ای است که در صورت وجود اختلاف دما در دو سر آن، یک اختلاف پتانسیل پدیدمی آورد.

متقابلاً، در صورت اعمال ولتاژ به دو سر آن، حرارت از سمتی به سمت دیگر حرکت می کند و اختلاف دما ایجاد می شود. در ابعاد اتمی، گرادیان دمای اعمال شده سبب می شود تا حامل‌های بار در ماده از قسمت گرم به قسمت سرد حرکت کنند.

موارد استفاده از المان های خنک کننده متفاوت است، به طور مثال : در لیزر ها، پردازنده ها، دوربین های دید در شب و…

به کمک TEC ها می توان سریع تر به دمای مطلوب رسید و همچنین می توان با کنترل آن ها، دما را نیز کنترل کرد.

---

شبیه سازی حرارتی PCB ها

شبیه سازی حرارتی به یافتن دقیق دمای یک نقطه در PCB کمک می کند. شبیه سازی حرارتی، نقشه ای رنگی است که دمای نقاط مختلف را نشان می دهد که در شرایط مختلف به دست آمده است.

واحد اندازه گیری دما در شبیه سازی های حرارتی PCB همیشه به درجه سانتی گراد است .

چرا شبیه سازی حرارتی PCB ها انجام می شود؟

• یافتن دقیق نقاط داغ حرارتی بر روی PCB به منظور جلوگیری از خطر خرابی دستگاه و PCB .
• با توجه به اطلاعات به دست آمده از شبیه سازی، قابلیت اطمینان مواد دی الکتریک PCB را مورد سنجش قرار می دهید.
• قابلیت اطمینان و اعتبار محصول نهایی را بالا می برد.
• شبیه سازی حرارتی می تواند هزینه های تولید و خرابی های احتمالی را به حداقل برساند.

---

سخن پایانی

طراحان می توانند با ترکیب روش های بالا یا استفاده از همه این روش ها در طراحی PCB به طراحی و PCB خود اعتبار ببخشند و قابلیت اطمینان بالایی ایجاد کنند.

ساده ترین راه برای افزایش عملکرد و عمر یک قطعه الکترونیکی این است که دمای آن قطعه را پایین نگه دارید.

تکنیک های مدیریت حرارت دیگری هم برای کاهش دمای PCB و قطعات الکترونیکی وجود دارد که در اینجا به چند مورد از مهم ترین های آن ها اشاره شد. اگر روش دیگری هم در نظر دارید می توانید در بخش نظرات آن را مطرح کنید تا دیگران نیز از آن ها استفاده کنند.

 

شرکت مرصا می تواند به شما در زمینه های مختلفی خدمات بدهد از قبیل :

• طراحی و تولید صفر تا صد مدارات الکترونیکی
• مونتاژ SMD و THT دستی و ماشینی
• خدمات تولید PCB
• تامین قطعات
• و….