Nhiệt lượng do thiết bị điện tử sinh ra trong quá trình hoạt động khiến nhiệt độ bên trong thiết bị tăng lên nhanh chóng. Nếu nhiệt không được tản đi kịp thời, thiết bị sẽ tiếp tục nóng lên, thiết bị sẽ hỏng do quá nhiệt và độ tin cậy của thiết bị điện tử sẽ giảm sút. Vì vậy, việc tản nhiệt cho bo mạch là rất quan trọng.

Phân tích nhân tố tăng nhiệt độ của bảng mạch in

Nguyên nhân trực tiếp khiến nhiệt độ của bảng in tăng lên là do sự hiện diện của các thiết bị tiêu thụ điện năng trong mạch và các thiết bị điện tử có mức tiêu thụ điện năng khác nhau và cường độ nhiệt thay đổi theo mức tiêu thụ điện năng.

Hai hiện tượng tăng nhiệt độ ở bảng in:
(1) Tăng nhiệt độ cục bộ hoặc tăng nhiệt độ diện rộng;
(2) Tăng nhiệt độ trong thời gian ngắn hoặc tăng nhiệt độ trong thời gian dài.

Khi phân tích mức tiêu thụ năng lượng nhiệt PCB, nhìn chung từ các khía cạnh sau.

Tiêu thụ điện năng
(1) Phân tích mức tiêu thụ điện năng trên một đơn vị diện tích;
(2) Phân tích sự phân bổ điện năng tiêu thụ trên bảng mạch PCB.

2. Cấu trúc của bảng in
(1) Kích thước của bảng in;
(2) Chất liệu của bảng in.

3. Phương pháp lắp đặt bảng in
(1) Phương pháp cài đặt (chẳng hạn như cài đặt dọc và cài đặt ngang);
(2) Tình trạng bịt kín và khoảng cách từ vỏ.

4. Bức xạ nhiệt
(1) Độ phát xạ của bề mặt bảng in;
(2) Chênh lệch nhiệt độ giữa bảng in và bề mặt liền kề và nhiệt độ tuyệt đối của chúng;

5. Dẫn nhiệt
(1) Lắp bộ tản nhiệt;
(2) Dẫn các bộ phận kết cấu lắp đặt khác.

6. Đối lưu nhiệt
(1) Đối lưu tự nhiên;
(2) Đối lưu làm mát cưỡng bức.

Việc phân tích các yếu tố trên từ PCB là một cách hiệu quả để giải quyết vấn đề tăng nhiệt độ của bảng in. Những yếu tố này thường có liên quan và phụ thuộc vào một sản phẩm và hệ thống. Hầu hết các yếu tố cần được phân tích theo tình hình thực tế, chỉ đối với một tình hình thực tế cụ thể. Chỉ trong tình huống này, các thông số về mức tăng nhiệt độ và mức tiêu thụ điện năng mới có thể được tính toán hoặc ước tính chính xác.

Phương pháp làm mát bảng mạch

1. Thiết bị sinh nhiệt cao cộng với tản nhiệt và tấm dẫn nhiệt
Khi một vài thiết bị trong PCB tạo ra một lượng nhiệt lớn (nhỏ hơn 3), có thể thêm một bộ tản nhiệt hoặc ống dẫn nhiệt vào thiết bị tạo nhiệt. Khi nhiệt độ không thể hạ xuống, có thể sử dụng tản nhiệt có quạt để tăng cường hiệu quả tản nhiệt. Khi có nhiều thiết bị sưởi ấm hơn (hơn 3), có thể sử dụng nắp (board) tản nhiệt lớn. Nó là một bộ tản nhiệt đặc biệt được tùy chỉnh theo vị trí và chiều cao của thiết bị sưởi ấm trên bảng PCB hoặc trong một bộ tản nhiệt phẳng lớn Cắt bỏ chiều cao của các bộ phận khác nhau. Vặn chặt nắp tản nhiệt vào bề mặt linh kiện và tiếp xúc với từng bộ phận để tản nhiệt. Tuy nhiên, do tính đồng nhất của các bộ phận trong quá trình lắp ráp và hàn kém nên hiệu quả tản nhiệt không tốt. Thông thường, một miếng đệm nhiệt thay đổi pha nhiệt mềm được thêm vào bề mặt linh kiện để cải thiện hiệu quả tản nhiệt.

2. Tản nhiệt qua chính bo mạch PCB
Hiện nay, các tấm PCB được sử dụng rộng rãi là chất nền vải thủy tinh phủ đồng/epoxy hoặc chất nền vải thủy tinh nhựa phenolic, và một lượng nhỏ tấm phủ đồng trên giấy được sử dụng. Mặc dù các chất nền này có hiệu suất điện và hiệu suất xử lý tuyệt vời nhưng chúng có khả năng tản nhiệt kém. Là một con đường tản nhiệt cho các linh kiện sinh nhiệt cao, bản thân PCB khó có thể dẫn nhiệt từ nhựa của PCB mà sẽ tản nhiệt từ bề mặt của linh kiện ra không khí xung quanh. Tuy nhiên, khi các sản phẩm điện tử đã bước vào kỷ nguyên thu nhỏ linh kiện, lắp đặt mật độ cao và lắp ráp nhiệt độ cao, việc chỉ dựa vào bề mặt của các linh kiện có diện tích bề mặt rất nhỏ để tản nhiệt là chưa đủ. Đồng thời, do sử dụng nhiều các linh kiện gắn trên bề mặt như QFP và BGA nên nhiệt lượng do các linh kiện tạo ra sẽ được truyền đến bo mạch PCB với số lượng lớn. Vì vậy, cách tốt nhất để giải quyết vấn đề tản nhiệt là nâng cao khả năng tản nhiệt của bản thân PCB khi tiếp xúc trực tiếp với bộ phận làm nóng. Tiến hành hoặc phát ra.

3. Áp dụng thiết kế định tuyến hợp lý để đạt được khả năng tản nhiệt
Do tính dẫn nhiệt của nhựa trong tấm kém, các đường và lỗ của lá đồng là chất dẫn nhiệt tốt nên việc cải thiện tỷ lệ dư của lá đồng và tăng lỗ dẫn nhiệt là phương tiện tản nhiệt chính.
Để đánh giá khả năng tản nhiệt của PCB, cần tính hệ số dẫn nhiệt tương đương (chín eq) của vật liệu composite được tạo thành từ nhiều vật liệu khác nhau có hệ số dẫn nhiệt khác nhau - đó là chất nền cách điện cho PCB.

4. Đối với thiết bị sử dụng làm mát không khí đối lưu tự do, tốt nhất nên bố trí các mạch tích hợp (hoặc các thiết bị khác) theo chiều dọc hoặc chiều ngang.

5. Các thiết bị trên cùng một bảng in nên được sắp xếp theo khả năng sinh nhiệt và tản nhiệt càng nhiều càng tốt. Các thiết bị có khả năng sinh nhiệt nhỏ hoặc khả năng chịu nhiệt kém (như bóng bán dẫn tín hiệu nhỏ, mạch tích hợp quy mô nhỏ, tụ điện, v.v.) được đặt ở luồng trên cùng của luồng khí làm mát (ở lối vào), các thiết bị có khả năng sinh nhiệt lớn hoặc khả năng chịu nhiệt tốt (chẳng hạn như bóng bán dẫn điện, mạch tích hợp quy mô lớn, v.v.) được đặt ở hạ lưu xa nhất của luồng khí làm mát.

6. Theo hướng nằm ngang, các thiết bị công suất cao phải được đặt càng gần mép của bảng in càng tốt để rút ngắn đường truyền nhiệt; theo hướng thẳng đứng, các thiết bị công suất lớn nên đặt càng gần mặt trên của bảng in càng tốt để giảm nhiệt độ của các thiết bị này khi làm việc với các thiết bị khác tác động.

7. Tốt nhất nên đặt thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ ở khu vực có nhiệt độ thấp nhất (chẳng hạn như đáy thiết bị). Không bao giờ đặt nó trực tiếp phía trên thiết bị tạo nhiệt. Nhiều thiết bị tốt nhất nên được đặt so le trên mặt phẳng nằm ngang.

8. Khả năng tản nhiệt của bảng in trong thiết bị chủ yếu phụ thuộc vào luồng không khí, do đó, đường dẫn luồng không khí cần được nghiên cứu trong thiết kế và thiết bị hoặc bảng mạch in phải được cấu hình hợp lý. Khi không khí lưu chuyển luôn có xu hướng lưu chuyển ở những nơi có điện trở nhỏ nên khi cấu hình các thiết bị trên bảng mạch in cần tránh để lại một khoảng không khí lớn ở một khu vực nhất định. Cấu hình nhiều bảng mạch in trong toàn bộ máy cũng cần chú ý đến vấn đề tương tự.

9. Tránh tập trung các điểm nóng trên PCB, phân phối điện năng đều trên PCB càng nhiều càng tốt và giữ cho hiệu suất nhiệt độ của bề mặt PCB đồng đều và nhất quán. Thường khó đạt được sự phân bố đồng đều nghiêm ngặt trong quá trình thiết kế, nhưng cần tránh những khu vực có mật độ công suất quá cao để tránh những điểm nóng ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của toàn mạch. Nếu điều kiện cho phép, việc phân tích hiệu suất nhiệt của mạch in là cần thiết. Ví dụ, các mô-đun phần mềm phân tích chỉ số hiệu suất nhiệt được thêm vào trong một số phần mềm thiết kế PCB chuyên nghiệp có thể giúp các nhà thiết kế tối ưu hóa thiết kế mạch.