Bạn đã bao giờ tự hỏi PCB là gì chưa? Bảng mạch in (PCB) là một linh kiện điện tử được sử dụng để kết nối các thiết bị điện khác nhau. Dây dẫn đồng tạo kết nối điện giữa các bộ phận trên bảng mạch in (PCB), một bộ phận lắp ráp điện tử. Các thành phần điện tử được hỗ trợ cơ học bởi các bảng mạch in, cho phép không gian cho một thiết bị trong vỏ bọc. Quy trình sản xuất, đóng gói mạch tích hợp và cấu trúc của bảng mạch trần đều phải được xem xét khi thiết kế bảng mạch in.

Nhiệt độ tối đa mà PCB có thể chịu được là bao nhiêu?

Các vật liệu làm nên PCB xác định mức nhiệt mà nó có thể chịu được. Mặc dù một số vật liệu kém tin cậy hơn khi chịu được nhiệt độ cao, nhưng những vật liệu có chất lượng nhiệt tốt nhất mang lại sự bảo vệ đáng tin cậy chống lại tác động của nhiệt độ cao. Số liệu về nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh (TG) cho thấy khả năng chống chịu này. Chẳng hạn, TG của FR-4 là khoảng 135 độ C. Vì vậy, nếu PCB có thể chịu được nhiệt độ tối đa là 150 độ C, nó thường được sử dụng để đánh dấu PCB nhiệt độ cao. Các bảng làm từ vật liệu có khả năng chịu nhiệt kém hơn sẽ chỉ có thể hoạt động an toàn ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể. Đồng thời, một số PCB ở nhiệt độ cao có thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn.

Tại sao PCB nóng lên?

Thiết kế không đạt yêu cầu, các bộ phận không phù hợp, lựa chọn vật liệu, sắp xếp linh kiện sai và quản lý nhiệt không hiệu quả đều có thể góp phần gây ra nhiệt độ quá cao trên bảng mạch in (PCB). Nhiệt độ cao gây hại cho hiệu suất tổng thể, các thành phần và nhiệt độ của bo mạch. Trong nhiều ứng dụng, tác động của nhiệt độ cao có thể không đáng kể, nhưng nó có thể tác động đáng kể đến các thiết kế hiệu suất cao. Một số lý do được liệt kê dưới đây là lý do tại sao PCB của bạn có thể nóng lên:

1. Đặt linh kiện không đúng cách

Một số thiết bị công suất cao cần được đặt ở những nơi có luồng không khí thích hợp, tự nhiên hoặc cưỡng bức. Vì vậy, các nhà sản xuất PCB nên đặt chúng ở những khu vực có lỗ thông hơi hoặc luồng không khí đủ. PCB sẽ giữ lại phần lớn nhiệt trong trường hợp không có hệ thống thông gió và thoát nhiệt đầy đủ, điều này sẽ làm tăng nhiệt độ dần dần và có thể gây ra sự cố hoặc hư hỏng cho hoạt động của mạch. Ngoài ra, hãy nhớ rằng việc đặt các bộ phận mỏng manh bên cạnh những bộ phận tỏa nhiệt sẽ khiến chúng bị ứng suất nhiệt.

• Nhân tố môi trường

Khi làm một PCB nhiệt độ cao, bạn phải xem xét các điều kiện môi trường của mình: những điều kiện mà PCB của bạn yêu cầu và các điều kiện bên ngoài. Một số PCB hoạt động hiệu quả tối ưu trong các điều kiện nhất định. Tuy nhiên, khi một người đi chệch khỏi chúng, nó sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của PCB.

• Lựa chọn thành phần và vật liệu sai

Bạn phải nghiên cứu các nguyên tắc do nhà sản xuất đặt ra trước khi sử dụng bất kỳ PCB nào. Khi sử dụng một PCB nhiệt độ cao, mọi người thường đánh giá quá cao khả năng của PCB do tên của nó. Việc thiếu kiến ​​thức khi chọn linh kiện cho PCB của bạn có thể dẫn đến những bất thường trong mạch và khiến mạch nóng lên.

• Sản xuất và thiết kế PCB kém

Việc thiết kế và sản xuất PCB bao gồm tất cả từ số lượng đầu nối đến vật liệu được sử dụng. Thiếu kiến ​​thức về cách PCB nhiệt độ cao dẫn đến thiếu sự gắn kết và có thể làm cho PCB nóng lên và trong một số trường hợp, không những ngừng hoạt động mà còn bốc cháy.

Tại sao việc quản lý nhiệt đối với PCB nhiệt độ cao lại quan trọng?

Sự khác biệt đáng kể giữa PCB có thể hấp thụ nhiệt và PCB không hoạt động tốt ở nhiệt độ cao là PCB xử lý nhiệt hiệu quả là PCB trải qua mức quản lý nhiệt cao hơn. Khi các vật thể được làm nóng, chúng mở rộng. Vấn đề với một nhiệt độ cao PCB là nó chứa rất nhiều kết nối. Các đầu nối này chứa các phần tử được thêm vào PCB. Khi PCB nóng lên, các đầu nối này sẽ nở ra và do đó, các bộ phận tương ứng sẽ rơi ra khi các đầu nối của chúng bị lỏng. Mục tiêu của việc quản lý nhiệt là đảm bảo rằng các bộ phận này không giãn nở hoặc nguội đi nhanh chóng. Nó có thể gây hư hỏng cho mạch cũng như gây ra sự thay đổi trong thành phần của vật liệu được sử dụng.

Tầm quan trọng của việc biết quản lý nhiệt là nó cho phép thu phí khi chọn vật liệu cho PCB. Bạn có thể điều khiển vật liệu để chịu được nhiệt độ cao. Nhiệt độ trên PCB có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình oxy hóa. Phần lớn các nhà lắp ráp PCB đánh giá thấp điều này và nếu bạn có thể kiểm soát nhiệt độ thông qua quản lý vi mô, thì quá trình oxy hóa cũng có thể xảy ra.

Hầu hết các PCB đều có lớp đồng mỏng bên trên vật liệu điện môi. Nó ngăn quá trình oxy hóa xảy ra khi nhiệt độ tăng. Các vật liệu điện môi sẽ bị oxy hóa nhanh hơn đáng kể do quá trình nung nóng nếu vật liệu điện môi bị mòn hoặc không bao phủ lớp đồng mỏng. Biết cách quản lý nhiệt cũng hữu ích trong việc quản lý nhiệt của vật liệu và các bộ phận.

Hệ số sử dụng giãn nở nhiệt và các chiến lược nhắm mục tiêu tỏa nhiệt của PCB nhiệt độ cao

Chúng ta không thể tránh được hiện tượng giãn nở nhiệt xảy ra khi các thành phần và vật liệu PCB chịu nhiệt độ tăng cao. Tuy nhiên, sự giãn nở nhiệt có thể đo được. Hệ số giãn nở nhiệt được sử dụng (còn được gọi là CTE). Chúng tôi có thể tính tốc độ giãn nở nhiệt cho các vật liệu và linh kiện PCB thông qua CTE. Thang đo nhiệt độ Celsius là hệ số giãn nở nhiệt được tính bằng phần triệu. Có giá trị trong việc nhận thức được các tính toán chính xác cho các phần triệu này. Tuy nhiên, sự khái quát sau đây về CTE cũng có giá trị như nhau. Các tính toán CTE của bạn cho các lớp điện môi của bảng mạch lý tưởng nhất sẽ dẫn đến các ước tính giống hệt nhau cho đồng nhiều lớp. Trong cách tiếp cận này, thay vì tách ra, cả hai cùng mở rộng. Một số khu vực bảng có thể trở nên quá nóng khi hai khu vực này kéo vào nhau. Việc làm này sẽ hỗ trợ nỗ lực của bạn trong việc sửa đổi vật liệu và thành phần PCB để chịu được nhiệt độ cao hơn.

• Quản lý nhiệt trong PCB nhiệt độ cao

Trong khi thiết kế PCB nhiệt độ cao, các biện pháp phòng ngừa đặc biệt phải được thực hiện để đảm bảo chúng hoạt động trong những trường hợp khắc nghiệt. Sử dụng vật liệu được tối ưu hóa để dẫn nhiệt, chẳng hạn như bảng "đồng nặng", là một trong những chiến thuật phổ biến nhất. Để phù hợp với tên gọi của chúng, những vật liệu này làm tăng khả năng mang dòng điện đồng thời giảm tổn thất điện năng, giảm sinh nhiệt và tăng cường khả năng tản nhiệt. Bằng cách giảm kích thước tổng thể và số lượng tản nhiệt cần thiết, PCB đồng nặng có thể giúp giảm chi phí. Tuy nhiên, nó đưa ra câu hỏi liệu nhiệt lan tỏa trong cấu hình đồng dày hơn có làm giảm khả năng chịu nhiệt tổng thể hay không.

Chất kết dính nhiệt có thể làm giảm yêu cầu đối với chất cách điện silicon dẫn nhiệt hoặc chất độn khe hở giúp ngăn cách thiết bị khỏi tản nhiệt và có thể thay thế các phụ kiện cơ học như kẹp và vít. Các mối quan tâm khác về vật liệu cần lưu ý là khả năng kháng hóa chất, giảm tạo khói và tro cũng như khả năng chống cháy. Những đặc điểm này đã làm cho nhựa epoxy thủy tinh trở nên hữu ích, chẳng hạn như vật liệu tiêu chuẩn FR4. Hơn nữa, chúng cũng cung cấp điện trở suất và giảm tản nhiệt. Một số ví dụ nổi tiếng bao gồm IS410, IS420 và G200.

• Làm mát PCB

Các kỹ thuật tản nhiệt PCB thụ động là không đủ trong một cấu hình tạo ra nhiều nhiệt. Bạn, người sáng tạo, chịu trách nhiệm bao gồm các tính năng bay hơi như:

• Mảng, lý tưởng nhất là các lỗ gần nhau được đặt bên dưới nguồn nhiệt, được gắn trên bề mặt. Vias đơn giản (in-pad) và vias được điền & giới hạn là hai loại vias nhiệt khác nhau. Để tạo nhiệt trực tiếp, hãy đặt cái sau ngay bên cạnh miếng hàn nhiệt của đèn LED.
• Tản nhiệt thường ở dạng mở hỗ trợ truyền nhiệt trên diện tích lớn hơn cho linh kiện.
• Ống dẫn nhiệt rất tuyệt vời cho việc sử dụng nhiệt độ cao trong ngành hàng không vũ trụ và hàng không. Hãy nghĩ về các ống dẫn nhiệt bao quanh nguồn nhiệt của PCB và có thể uốn cong mà không bị gãy.
• Chất kết dính mỡ nhiệt hoặc miếng đệm: Những chất này cung cấp cho bộ phận một kênh dẫn nhiệt để giải phóng nhiệt.
• Các cân nhắc về quạt làm mát bao gồm kích thước, độ ồn, ma sát, chi phí, v.v.
• Thiết kế dựa trên vỏ bọc

Mục tiêu chính của thiết kế nhiệt dựa trên vỏ bọc là tối đa hóa luồng không khí. Thật hợp lý khi xem xét thiết kế của vỏ sau cùng vì nó được lắp đặt ở cuối trong quá trình lắp ráp. Tuy nhiên, bạn có thể cải thiện các khía cạnh sau bằng cách xây dựng vỏ điện của bạn cùng lúc với “ruột” bên trong:

• Hiệu quả chi phí
• thời gian dẫn
• Chất lượng

Các ngành yêu cầu thiết bị tinh vi hoặc bên ngoài, như viễn thông, phải xem xét đáng kể thiết kế vỏ bọc. Tạo một vỏ bọc điện tử mở cho phép không khí đi vào và thoát ra để giảm khả năng các bộ phận của bạn có thể xuống cấp. Bạn có thể chọn phương pháp phân tán không khí cưỡng bức cho môi trường hạn chế, chẳng hạn như quạt gắn trên bề mặt. Để giữ an toàn cho thiết bị điện tử, các thiết kế có mức nhiệt dự đoán cao có thể cần nhiều quạt. Cuối cùng, chọn cách xử lý bề mặt không hấp thụ nhiệt nếu vỏ bọc tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Kết luận

Ngành thiết kế PCB là một trong những ngành công nghiệp hàng đầu trên thế giới. Với sự phát triển của thế giới, sự gia tăng tầm quan trọng của ngành công nghiệp PCB dường như sẽ tiếp tục trong tương lai gần. Học cách quản lý và theo dõi sức nóng của PCB là rất quan trọng để đạt được tiềm năng rộng lớn trên thị trường tương đối và nhận được PCB nhiệt độ cao. Bạn đang chờ đợi điều gì? Trau dồi những kỹ năng thiết kế PCB này và thống trị thế giới trong khi khám phá một sở thích mới thú vị.