Vítejte, dnes je
neděle
17.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky O programu PCB-Investigator [1] jsme se již v tomto časopisu zmiňovali několikrát jako o programu, který umí zjistit o navržené desce plošných spojů řadu užitečných informací. Tento článek poukazuje na praktické využití jeho termálních analýz při odvodu tepla termálními prokovy [2].
Výrobci polovodičových součástek doporučují používání termálních prokovů (termálních via) jako prostředku pro odvod tepla generovaného SMD součástkami. Tyto termální prokovy jsou pokovené otvory vrtané pod součástkou skrze desku a napojené na měď na vnějších, případně i vnitřních vrstvách desky. Zatímco nikdo nepochybuje o výhodách použití termálních prokovů pro chlazení součástky i desky, otázkou zůstává jejich optimální počet. Ten se jenom těžko může definovat paušálně výrobcem součástek, protože se může lišit od desky k desce v závislosti na její konstrukci a mnoha dalších faktorech.
Více otvorů neznamená nutně lepší výsledek, už jen kvůli nákladům spojeným s jejich výrobou. Kde je optimální hranice mezi snížením teploty a vyšší pracností výroby desky? Důkladná analýza pro zodpovězení této otázky může být náročná a komplikovaná. Pomoci může program PCB-Investigator s jeho možnostmi termálních analýz navržené desky.
Jeden z plug-in modulů programu PCB-Investigator je simulační nástroj Physics, který je schopen reprodukovat stav desky v detailech, a může být použit i pro analýzu odvodu tepla prostřednictvím termálních prokovů. Data desky, jako je složení vrstev (layer stackup) a vrtací data, mohou být načtena přes ODB++ či IPC2581. Ta mohou být dále doplněna údaji o tepelné vodivosti materiálu desky (FR4), její okolní teplotě i způsobu proudění vzduchu kolem ní. Simulace může zachytit teplotní poměry na desce při různých variantách počtu, roztečí a umístění termálních prokovů.
Na obr. 1 je zachycena deska s velkou SMD součástkou, která je z pohledu generování tepla kritická. Úkolem je zjistit teplotu této součástky a jejího okolí v závislosti na počtu termálních prokovů umístěných pod ní. Pro názornost byla použita jednoduchá oboustranná deska, ale PCB-Investigator dokáže provádět analýzy i na vícevrstvých deskách.
Simulační program PCB-Investigator Physics vytvoří automaticky model desky, který vychází z její geometrie, a bere v úvahu jak vedení tepla deskou, tak přestup tepla do okolí. Tak jako u podobných simulačních programů, doba výpočtu závisí na počtu „nodes“ a rychlosti konvergence během přechodu od studeného stavu k teplému. K výpočtu využívá PCB-Investigator Physics grafický procesor (GPU), který zajišťuje výrazné zrychlení oproti použití CPU. Spolehlivé výsledky jsou tak k dispozici již za několik minut.
Výsledky simulace ukázkové desky bez termo prokovů jsou na obr. 2. Teplota součástky je 103,4 °C, teplota horní strany desky 102,1 °C a spodní strany 65,5 °C.
Když se na desce zhotoví 15 termálních prokovů uspořádaných v pravidelném vzoru, potom se získá výsledek zobrazený na obr. 3. Teplota součástky (83,9 °C) je výrazně nižší díky odvodu tepla termálními prokovy. Současně se snížila i teplota desky pod součástkou (horní strana 82,0 °C, spodní strana 69,1 °C).
Kromě termálních prokovů hrají na desce při odvodu tepla svoji roli ještě další faktory, které musí být brány v úvahu. Na jedné straně jsou zde materiály tepelně dobře vodivé, jako jsou plošné spoje, na druhé straně materiál desky (FR4), kterým se musí teplo prodírat v případě mezer mezi měděnými plochami či plošnými spoji (ale vzhledem k jeho velkému objemu se musí také brát v úvahu). Snížení teploty součástky ze 103 °C na 84 °C je i tak dost velké, zejména vzhledem k okolní teplotě (20 °C).
Jak bude vypadat výsledek, pokud se přidají další termální via? Situace je zachycena na obr. 4.
Zvýšení počtu termálních via na 170 vede k dalšímu poklesu teploty součástky až na 72,8 °C. To již představuje celkové snížení o zhruba 30 °C v důsledku lepšího odvodu tepla.
Nyní je potřeba se zabývat otázkou užitečnosti přidávání dalších termálních prokovů poté, co se dosáhlo požadovaného snížení teploty součástky. Zdá se, že po dosažení určitého počtu termálních prokovů nastává jistá saturace, při níž se teplotní křivka zplošťuje, i když jsou i nadále přidávány další termální prokovy. Tak například, když se počet otvorů zčtyřnásobí na 680, dosáhne se již jen velmi malého snížení teploty součástky na 72 °C, což odpovídá ochlazení o méně než 1 °C. Teplota spodní strany desky je přitom téměř stejná jako horní. Závěrem tedy je, že další odvod tepla už není možný.
Z toho vyplývá, že návrh desky by neměl zahrnovat maximální možný počet termálních via, ale pouze takový, který má smysl a je ekonomický.
Tento závěr je také patrný z tabulky 1. Zde je vidět teplota horní a spodní strany desky spolu s teplotou součástky jako funkce počtu termálních prokovů.
Navzdory zvyšujícímu se počtu prokovů neklesá teplota rovnoměrně. Snížení teploty dosáhne určitého saturačního bodu, což je způsobeno konvenčním způsobem přenosu tepla u povrchu desky. Další zvyšování počtu termálních prokovů již nemá smysl, k dalšímu snížení teploty by bylo potřeba použít chladič nebo větrák.
Teplotní limity součástky i desky se musí stanovit v závislosti na použití dané desky, jejím umístění v krytu a očekávané okolní teplotě. Tyto limity by měly být brány v úvahu ještě ve fázi návrhu desky, protože pozdější modifikace kvůli nevyhovujícím teplotním poměrům bývají poměrně drahé.
Program PCB-Investigator Physics umožňuje návrhářům desek určit optimální počet termálních prokovů tak, aby nebyly překročeny stanovené maximální teploty a současně se omezily náklady spojené s jejich nadbytečnou výrobou. Program tak snadno a rychle umožňuje zjistit, kolik jich je pod danou součástkou potřeba.
[2] www.pcb-investigator.com/en/blog/thermal-vias-benefits-and-limitations
