Tepelný manažment a návrh dosky plošného spoja (PCB) a usporiadanie komponentov sú dôležitými faktormi pri návrhu a výrobe elektronických zariadení. Správne riešenie tepelného manažmentu a návrhu dosky plošného spoja a usporiadania komponentov zabezpečuje spoľahlivosť, životnosť a výkon elektronických zariadení. Na druhej strane, nesprávne riešenie môže viesť k problémom s prehrievaním a prerušeniu funkcie, čo môže mať negatívny vplyv na užívateľov a spoločnosti. V tomto článku sa zameriame na analýzu správnych a nesprávnych riešení tepelného manažmentu a návrhu dosky plošného spoja a usporiadania komponentov.

Väčšina elektronických súčiastok odvádza teplo vždy, keď nimi preteká prúd. Množstvo tepla závisí od výkonu, vlastností zariadenia a konštrukcie obvodu. Okrem súčiastok prispieva k určitým tepelným a výkonovým stratám aj odpor elektrických spojov, medených stôp a priechodiek. Aby sa predišlo poruchám alebo nesprávnemu fungovaniu obvodov, mali by sa konštruktéri zamerať na výrobu plošných spojov, ktoré fungujú a zostávajú v bezpečných teplotných medziach. Zatiaľ čo niektoré obvody budú fungovať bez dodatočného chladenia, existujú situácie, keď je pridanie chladičov, chladiacich ventilátorov alebo kombinácia viacerých mechanizmov nevyhnutná.

Tento článok sa zaoberá návrhovými postupmi, ktoré zabezpečujú lepšie tepelné riadenie, vrátane niektorých bežných metód odstraňovania prebytočného tepla z DPS.

Správne riešenia

Osvedčeným postupom je riadenie teploty na úrovni komponentov a systému s ohľadom na prevádzkové prostredie. Medzi faktory, ktoré treba zvážiť pri rozhodovaní o mechanizme chladenia, patria vlastnosti obalu polovodiča, vlastnosti rozptylu tepla atď. Tieto informácie sú zvyčajne k dispozícii v technickom liste výrobcu. Chladenie prirodzenou konvekciou je vhodné pre dosky plošných spojov s malým množstvom odvádzaného tepla. DPS s nadmerným vývinom tepla si však vyžadujú chladiče, tepelné trubice, ventilátory, hrubú meď alebo kombináciu viacerých techník chladenia.

Návrh dosky plošného spoja a usporiadanie komponentov sú rovnako dôležité. Správne umiestnenie a usporiadanie komponentov môžu pomôcť zlepšiť tepelný manažment. Napríklad umiestnenie komponentov na doske plošného spoja tak, aby čipy a súčiastky s vysokou tepelnou produkciou boli umiestnené čo najbližšie k chladiacim prvkom, môže pomôcť zlepšiť tepelný tok. Umiestnenie chladiacich prvkov a chladičov tak, aby boli čo najbližšie k tepelným zdrojom, môže taktiež pomôť zlepšiť tepelný manažment. Správne rozmery a umiestnenie chladiacich prvkov a chladičov na doske plošného spoja zabezpečuje efektívnu tepelnú výmenu medzi komponentami a okolím.

Zníženie tepelného odporu

Nízky tepelný odpor zabezpečuje, že teplo sa cez materiál prenáša oveľa rýchlejšie. Tento odpor je priamo úmerný dĺžke tepelnej cesty a nepriamo úmerný ploche prierezu a tepelnej vodivosti tepelnej cesty.

Vzorec pre základný výpočet tepelného odporu je:

θ = t / (A x K)

kde:

• t je hrúbka materiálu
• K je faktor tepelnej vodivosti 
• A je plocha prierezu

Konštruktéri často znižujú tepelný odpor:

• použitím tenšej dosky plošných spojov, aby sa znížila tepelná dráha
• pridaním tepelných priechodiek pre vertikálne vedenie tepla
• medenej fólie a hrubých spojov pre horizontálne vedenie tepla

Prehľad vedenia tepla tepelnými priechodkami. Zdroj : ROHM Semiconductor

Vykonanie tepelnej analýzy

Vykonaním tepelnej analýzy sa zistí, ako sa budú komponenty a PCB správať pri rôznych teplotách a podmienkach. Analýza poskytuje konštruktérom predstavu o tvorbe a prenose tepla v obvode. Návrhári potom môžu výsledky analýzy a simulácie použiť na navrhnutie techník, ktoré im pomôžu lepšie riadiť teplo.

Tepelná analýza PCB. Zdroj : PADS

Vizuálna kontrola dosky bez napájania

Vizuálna kontrola je jednoduchý spôsob, ako nájsť známky prehriatia, spálené alebo čiastočne poškodené komponenty, suché spoje, oblúky atď. Medzi viditeľné príznaky patria vypuklé súčiastky, spálené súčiastky a vyblednuté miesta na doske plošných spojov. Okrem vizuálnej analýzy môže na problémy so zahrievaním poukázať aj zápach z dosky.

Používanie infračervených kamier

Testovací inžinieri môžu používať infračervené kamery na hodnotenie napájaných prototypových dosiek z hľadiska problémov s teplom a identifikovať problémy neviditeľné voľným okom. Okrem toho, že kamery ukážu oblasti, kde je nadmerné teplo, môžu niekedy identifikovať falzifikáty alebo chybné súčiastky, ktorých tepelné podpisy sa líšia od tepelných podpisov originálnych súčiastok. Termokamery dokážu odhaliť aj miesta, kde majú stopy nedostatočné množstvo spájky, a teda vyšší odpor a väčší rozptyl tepla.
Ako odstrániť teplo z dosiek plošných spojov Existuje niekoľko techník, ktoré môžu konštruktéri použiť na odstránenie tepla z komponentov a dosiek plošných spojov. Medzi bežné mechanizmy patria chladiče, chladiace ventilátory, tepelné trubice a hrubá meď. Obvody generujúce viac tepla si najčastejšie vyžadujú viac ako jednu technológiu. Napríklad chladenie procesora notebooku a čipov displeja si vyžaduje chladič, tepelnú rúrku a ventilátor. 

Chladiče a chladiace ventilátory

Chladič je tepelne vodivá kovová časť s veľkou plochou povrchu, zvyčajne pripojená ku komponentom, ako sú výkonové tranzistory a spínacie zariadenia. Chladič umožňuje súčiastke odvádzať teplo na väčšiu plochu a odovzdávať toto teplo do okolia. V niektorých prípadoch, ako sú napríklad vysokoprúdové napájacie zdroje, pomáha pridanie chladiaceho ventilátora k rýchlejšiemu a lepšiemu odvodu tepla.

Tepelné trubice "Heat pipes"

Tepelné trubice, alebo "Heat pipes" sú vhodné pre kompaktné zariadenia s obmedzeným priestorom. Poskytujú spoľahlivý a cenovo výhodný pasívny prenos tepla. Medzi výhody patrí prevádzka bez vibrácií, dobrá tepelná vodivosť, nenáročná údržba a tichá prevádzka, pretože nemajú žiadne pohyblivé časti. Typicky obsahujú malé množstvo dusíka, vody, acetónu alebo amoniaku. Tieto kvapaliny pomáhajú absorbovať teplo, po ktorom uvoľňujú paru, ktorá sa šíri pozdĺž potrubia. Potrubie má kondenzátor, v ktorom pri prechode pary kondenzujú späť do kvapalnej formy a cyklus sa začína odznova.

Nesprávne riešenia

Nesprávne riešenia tepelného manažmentu a návrhu dosky plošného spoja a usporiadania komponentov zahŕňajú použitie nevhodných materiálov a technológií, nevhodné umiestnenie a usporiadanie komponentov a chýbajúce tepelné rozhrania a chladiace prvky. Použitie nevhodných materiálov a technológií môže viesť k zvýšeniu tepelnej produkcie a neschopnosti odvádzať teplo z elektronických zariadení. Nesprávne umiestnenie a usporiadanie komponentov môže viesť k obmedzenému toku vzduchu a obmedzeniu tepelnej výmeny, čo zvyšuje tepelnú produkciu a znižuje životnosť a spoľahlivosť elektronických zariadení.

Nesprávny tepelný manažment môže mať vplyv na mnoho rôznych komponentov v elektronických zariadeniach, avšak niektoré sú zvyčajne najviac tepelne namáhané a môžu mať vážne následky na výkon a životnosť zariadenia. Jedným z najčastejšie tepelne namáhaných komponentov sú mikroprocesory a grafické karty v počítačoch. Vysoká tepelná produkcia týchto komponentov môže viesť k zvýšeniu teploty a zhoršeniu výkonu a životnosti. Ak sa teploty procesoru alebo grafickej karty nekontrolujú a prekročia bezpečné hodnoty, môže to viesť k zlyhaniu komponentov alebo dokonca k požiaru.

Ďalšie tepelne namáhané komponenty sú  vysokovýkonné tranzistory. Tieto komponenty môžu mať vysokú tepelnú produkciu a bez správneho tepelného manažmentu môžu sa prehriať a zlyhať. Rovnaký nesprávny tepelný manažment má vplyv aj na iné komponenty, ako sú kondenzátory, cievky alebo integrované obvody. Prehrievanie týchto komponentov môže viesť k významnému skráteniu životnosti alebo k zlyhaniu zariadenia.

Všeobecne platí, že tepelný manažment je kritickým faktorom pre zabezpečenie spoľahlivosti, výkonu a životnosti elektronických zariadení. Náklady na opravy alebo nahradenie tepelne poškodených komponentov môžu byť veľmi vysoké, preto je dôležité zabezpečiť správne tepelné riešenie už pri návrhu a vývoji elektronických zariadení.

Navrhované riešenia

Na zlepšenie tepelného manažmentu a návrhu dosky plošného spoja a usporiadania komponentov sa navrhujú nasledujúce riešenia:

1. Použitie správnych materiálov a technológií na tepelný manažment, ako sú tepelne vodivé vrstvy v doskách plošných spojov a chladiace prvky a chladiče.
2. Správne umiestnenie komponentov na doske plošného spoja tak, aby čipy a súčiastky s vysokou tepelnou produkciou boli umiestnené čo najbližšie k chladiacim prvkom.
3. Správne umiestnenie a rozmery chladiacich prvkov a chladičov na doske plošného spoja pre zabezpečenie efektívnej tepelnej výmeny.
4. Použitie tepelných rozhraní na prenos tepla z čipov a súčiastok na chladiace prvky.
5. Umiestnenie komponentov na doske plošného spoja tak, aby sa maximalizoval  tok vzduchu a zabezpečila sa optimálna tepelná výmena.

Záver

Techniky tepelného manažmentu PCB závisia od viacerých faktorov vrátane množstva tepla, ktoré komponenty a obvody rozptyľujú, prostredia, celkového dizajnu a krytu. Ak je produkcia tepla nízka, obvod môže fungovať bez dodatočného chladenia. Ak však obvod generuje väčšie množstvo tepla, mal by existovať chladiaci mechanizmus na odvod tepla. Na zabezpečenie tepelne optimalizovaných dosiek plošných spojov by mali konštruktéri zvážiť všetko, čo ovplyvňuje teplotu, už od fázy konceptu a počas celej fázy návrhu a výroby.