고온 환경에서의 고전력 PCB 설계

가장 일반적인 구성 요소 통합 플랫폼인 다층 PCB는 회로 기판과 구성 요소를 함께 연결합니다. 전자 제품의 경량화, 박형화, 소형화, 고성능화에 따라 IC 부품의 집적도가 높아져 PCB의 무결성이 높아졌습니다. 그 결과, 특히 A/D 또는 D/A 유형과 같은 고주파 IC 부품의 대량 활용 및 회로 주파수의 상승으로 인해 열 발생이 분명히 증가하고 PCB의 열 밀도가 점점 더 높아졌습니다. 막대한 열 손실을 내보내지 못하면 전자 장비의 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 통계에 따르면 전자기기 고장의 원인 중 온도가 55%를 차지한다고 합니다. 온도가 상승하면 전자 부품의 고장률이 기하급수적으로 증가합니다. 환경 온도가 10°C 증가하면 일부 전자 부품의 고장률이 두 배까지 증가할 수 있습니다. 항공 우주 제품의 경우 이러한 유형의 열 제어 설계는 특수 환경에서 모든 종류의 회로에 대한 부적절한 설계 방법이 전체 시스템의 완전한 고장을 초래할 수 있으므로 무시할 수 없습니다. 따라서 PCB 설계 시 열 설계에 많은 주의를 기울여야 합니다.

분석은 원인 분석으로 시작해야 합니다. PCB의 고온의 직접적인 원인은 전력 소모 부품의 존재에 있습니다. 각 구성 요소는 열 강도의 변화를 일으키는 다른 정도의 전력 소비를 가지고 있습니다. 온도 상승 현상에는 국부 온도 상승 또는 대면적 온도 상승과 단기 온도 상승 또는 장기 온도 상승의 2가지 유형이 있습니다. 열 전달에는 열 전도, 열 대류 및 열 복사의 3가지 방법이 있습니다. 복사는 공간을 통과하는 전자기파 운동을 통해 열을 발산합니다. 복사 방출은 상대적으로 적은 양의 열을 특징으로 하기 때문에 일반적으로 보조 방출 방법으로 간주됩니다. 이 글은 서보 PCB의 한 종류를 예로 든 열전도 및 방열판 과도 열 저장 기술을 기반으로 고온 환경에서 장기간 작동하는 과정에서 PCB 방열에 대한 솔루션을 소개합니다.

이 서보 PCB에는 2W의 전력을 가진 2개의 전력 증폭기 칩, 2개의 R/D 변환 칩, 2개의 CPU 칩, 1개의 EPLD 칩 및 1개의 A/D 변환 칩이 있습니다. 이 서보 PCB의 전체 전력은 9W입니다. 서보 PCB는 공기 대류가 제한된 밀폐 환경에 설치됩니다. 게다가, 제한된 공간 때문에 냉각판 소산은 서보 PCB에 설치할 수 없습니다. 서보 PCB의 정상적인 작동을 보장하기 위해 열전도 및 방열판 과도 열 저장 기술만 활용하여 PCB에서 발생하는 열을 본체로 전달할 수 있습니다.

금속 코어 PCB를 통해 열을 발산하는 일반적인 방법입니다. 먼저 다층 PCB 사이에 열전도율이 우수한 금속판을 내장한다. 그런 다음 금속판에서 직접 열을 발산하거나 금속판에 분리 장비를 연결하여 열을 발산합니다. 작동 구조는 그림 1과 같습니다.

금속 코어 PCB의 주요 재료는 알루미늄, 구리 및 강철을 포함합니다. 그라운드 레이어로도 사용할 수 있습니다. Metal Core PCB의 상층과 하층은 도금된 관통 홀을 통해 상호 연결될 수 있으며, Metal Core PCB의 내부 층과 표면에 열이 전달될 수 있습니다. 발열체는 바닥과 열전도 구멍을 통해 기판에 직접 납땜할 수 있습니다. 그 결과 발열체에서 발생된 열은 열전도 홀을 통해 접선 섀시에 열을 전달하여 내보내는 금속 코어 PCB로 직접 전달됩니다. 이러한 구조의 PCB는 광범위한 응용 분야를 가지고 있지만 몇 가지 문제를 일으킬 수도 있습니다. 금속 코어 PCB는 너무 두꺼워서 불균일한 열 발산에서 변형이 일어나는 경향이 있어 PCB의 칩과 핀 사이의 접촉이 느슨해집니다. 금속 코어 PCB는 쉽고 빠르게 열을 발산하여 칩 교체 및 칩 교체 과정에서 엄청난 어려움을 초래합니다. 금속 코어 PCB의 국부적인 열 인력은 PCB의 심각한 변형으로 이어질 것입니다. PCB의 면적이 클수록 변형되기 쉬운 것으로 확인되었습니다.

위의 문제를 해결하려면 금속 코어 PCB로 설계를 업그레이드해야 합니다.

ㅏ. 0.15mm 두께의 4층 동박을 PCB에 니핑하여 PCB의 두께를 3mm 증가시켜 PCB가 쉽게 변형되지 않고 스루홀 신뢰성을 높일 수 있습니다.

비. 발열량이 2W인 칩의 경우 칩 하단에 SMT 패드를 추가하여 PCB의 금속층으로 열을 전달할 수 있습니다.

씨. 칩 바닥은 넓은 면적의 동박과 관통 홀을 통해 내부 동박층으로 열전달이 가능합니다.

디. PCB의 양쪽에 있는 절연층은 PCB 에지 금속화를 실현하기 위해 밀링될 수 있습니다. 베어 에지 PCB와 베이스 사이의 접촉을 통해 방열을 달성할 수 있습니다. 36개의 나사로 설치를 완료하여 PCB와 본체의 열전도율을 높일 수 있습니다.

위에서 언급한 조치를 구현한 후 업그레이드된 PCB 설계는 그림 2와 같습니다.

서보 PCB에 대한 시뮬레이션 모델링 및 분석을 설정하기 위해 소프트웨어 FLoTHERM이 전자 장비 열 상황에 사용됩니다. 서보 PCB의 에지 조건은 65°C이고 작동 시간은 90분입니다. 서보 PCB의 구성 요소는 모두 X 경감 요구 사항을 충족합니다. 각 성분의 허용 체온은 다음 표와 같습니다.

서보 PCB의 주요 전원 구성 요소는 각각 2W의 열 소비를 갖는 2개의 칩(49.76mm*41.4mm)을 포함합니다. 서보 PCB의 다른 부품의 열 소모는 모두 5W이고 전체 PCB의 열 소모는 9W, 서보 구동 부품은 10W, 전원 공급 장치 40W이며 서보 및 전원 공급 장치의 전체 열 소비는 59W입니다.

서보 제어 칩의 온도는 그림 3과 같습니다.

65°C 환경에서 90분 동안 작동하는 열 분석은 다음을 보여줍니다. 연속 30분 동안 작동하는 과정에서 칩 온도가 빠르게 상승하여 72°C 이상에 도달합니다. 연속 50분 동안 작동하는 과정에서 칩의 온도는 점차적으로 안정적으로 유지됩니다. 연속 90분 동안 작동하는 과정에서; 2W 칩(87°C)의 체온은 77.9°C입니다. 0.6W 칩(87°C)의 체온은 84°C입니다. 0.5W 칩(87°C)의 체온은 78.2°C입니다. 0.5W 칩(85°C)의 체온은 77°C입니다.

계산 및 시뮬레이션 열 설계 작동 조건에 따라 서보 제어 칩 온도는 합리적인 범위로 유지됩니다. 이론적 분석 과정에서 기본적으로 칩과 PCB 사이에는 공간이 없습니다. 그러나 실제 설치 과정에서 이들 사이에 약간의 공간이 있을 수 있으며 PCB의 방열 효과를 보장하기 위해 공간을 채우기 위해 실리카겔을 사용할 수 있습니다.

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