Решение непрерывно возникающих при проектировании печатных плат проблем все больше затрудняет разработчиков. Риск неисправности функционирования или ухудшения надежности возрастает с каждым новым поколением плат. Одна из острых проблем – это выбор оптимального соотношения между соблюдением требований к тепловым характеристикам платы и целостностью сигнала. Последнее требует располагать компоненты как можно ближе друг к другу. Но при существенно возрастают выделяемое тепло и температура платы, иногда до значений, превышающих максимально допустимые. Для того, чтобы нагрев компонентов соответствовал приводимым в технических условиях значениям, разработчикам необходимо корректировать конструкцию платы. Но такие операции становятся все более затруднительными несмотря на предпримаемые при проектировании платы меры по предотвращению ее избыточного нагрева. Специалистами компании Mentor Graphics предложен достаточно простой метод расчета теплового поведения «населенной» печатной платы с помощью двух тепловых величин – числа узких горлышек Bn (bottleneck) и числа их возможных обходов SC (ShortCuts) [1].
Проблема уменьшения нагрева
печатной платы с микросхемами
Разработанные за последние 20 лет методы вычислительной гидро- и газодинамики (Computational Fluid Dynamics, CFD) позволяют моделировать трехмерное распределение тепла, отводимого в воздушную среду, окружающую плату, и предсказывать значения температуры корпусов и p-n-переходов полупроводниковых приборов на плате в реальных рабочих условиях. Проектировщики обычно используют эти предсказанные значения для оценки соответствия характеристик создаваемого устройства его техническим условиям путем сравнения значений температуры, полученных в результате моделирования теплового распределения, с максимальными заданными значениями. Если значение рабочей температуры превышает заданное, то очевидно возможна деградация характеристик полупроводникового компонента, а в худшем случае – и риск его отказа в результате термомеханического воздействия. Путем моделирования трехмерного распределения температуры и температурного поля платы можно получить подробную и полезную информацию о тепловых свойствах платы, но этот метод не позволяет понять физику возникновения избыточного тепла и чем вызвано полученное распределение температур. Векторы теплового потока позволяют определить пути устранения избыточного тепла, но при этом знание направления вектора и значения температуры не достаточно для установления причины выделения этого избыточного тепла. Нельзя и определить наилучшие пути отвода тепла или требуемую для улучшения рабочих характеристик устройства корректировку конструкции платы.
По характеру пути распространения теплового потока от различных его источников до окружающей среды можно судить о значениях температуры источников и всех точек на этом пути. Путь теплового потока трехмерен и не однороден, на некоторых участках его распространение затруднено, на других — облегчено. Участки с большим тепловым сопротивлением, в которых с трудом распространяется большое количество тепла, образуют так называемые узкие горлышки. Путем изменения конструкции системы можно избавиться от части таких узких горлышек, облегчить распространение тепла от источника к окружающей среде и, тем самым, уменьшить рост температуры на всем пути теплового потока. Кроме того, существуют и нереализованные пути распространения теплового потока по участкам с меньшей, чем на других участках платы, температурой. Таким образом, доработка конструкции позволяет не только облегчить проблему возникновения узких горлышек, но и ввести тепловые так называемые «коротко замыкающие» пути отвода тепла, позволяющие обойти участки с большим тепловым сопротивлением.
Без выявления таких узких горлышек и определения коротко замыкающих их путей разработчики печатных плат сталкиваются с трудным выбором: либо необходимостью приглашать экспертов для решения тепловых проблем, либо надеяться на возможность введения теплоотводов после сборки печатной платы. Поскольку при моделировании нельзя определить направление распространения теплового потока, инженеры-теплотехники при решении задачи улучшения теплового режима печатной платы с микросхемами обычно опираются на свой опыт и техническую оценку получаемых результатов. И сегодня их задача, как правило, заключается в разработке экспериментов, которые позволили бы оценить пути распространения теплового потока и автоматически оптимизировать конструкцию на основе данных, полученных при CFD-моделировании. А это занимает много времени и ресурсов, которые могут быть направлены на решение других не менее важных задач.
Предлагаемый специалистами компании Mentor Graphics метод оценки тепловых характеристик печатной платы с микросхемами основан на применении двух величин, описывающих трехмерное распределение температуры платы: числа узких горлышек Bn (BottelNecks) и числа коротких замыканий Sc (ShortCuts). Рассмотрение этих двух показателей позволяет принимать обоснованное решение проблемы улучшения тепловых характеристик платы за счет внесения поправок в ее конструкцию.
Векторы, узкие горлышки
и короткие замыкания
В каждой точке пространства платы существуют два вектора – удельного теплового потока и температурного градиента. Удельный тепловой поток – это поток тепла через площадь заданного поперечного сечения на пути его распространения, температурный градиент определяет тепловое сопротивление данному тепловому потоку. Чем больше температурный градиент, тем больше тепловое сопротивление. Число Bn представляет собой скалярное произведение значений этих двух векторов, умноженное на число затрудняющих распространение теплового потока узких горлышек. Число Bn не всегда равно этому произведению, особенно если на плате расположено несколько источников тепла (что присуще большинству плат с микросхемами). В последнем случае локальные распределения тепловых потоков достаточно далеко отстоящих друг от друга компонентов не зависят друг от друга.
Чтобы проиллюстрировать действие предложенного метода оценки тепловых характеристик обычной платы с воздушным охлаждением, рассмотрим плату с микросхемой в корпусе BGA и двумя схемами в корпусах TO-263. Из полученного в результате CFD-анализа трехмерного распределения тепла на плате следует, что значения температуры, превышающие максимальные, приведенные в технических условиях значения, в первую очередь у микросхемы в корпусе BGA и затем у двух, расположенных выше и правее приборов в TO-263 (рис.1а). Созданные компанией Mentor Graphics программные средства FloTHERME 3D последнего поколения позволяют получить поля действия Bn и Sc [2]. На основе полученного распределения коротко замыкающих путей (рис.1б) можно сделать вывод, что больше всего Sc-путей находится у компонента с самой высокой температурой, т.е. у микросхемы в BGA-корпусе. Правда, такая ситуация встречается не всегда, температура компонента может быть высокой вследствие высокой температуры окружающей среды. Большое число Sc-путей у верхушки микросхемы в корпусе BGA указывает на относительно эффективную локальную конвективную теплопередачу. Поэтому наиболее очевидной мерой по корректировке конструкции платы становится установка теплоотвода для схемы в корпусе BGA, который облегчит отвод тепла от верхушки корпуса в окружающую воздушную среду. Отмечается, что благодаря такому изменению конструкции удалось снизить температуру p-n-переходов микросхемы на 70%, в результате чего она оказалась намного ниже максимально допустимой для бесперебойной работы температуры, приводимой в ТУ.
Рассмотрим теперь приборы в корпусах TO-263, число Bn которых после установки теплоотвода у устройства в корпусе BGA стало самым большим на плате (рис.2). Следует отметить, что большое число узких горлышек не означает, что участки, на которых они присутствуют, имеют саму высокую температуру на плате. Напротив, значения Bn и кривые распространения теплового потока указывают участки, на которых распространение теплового потока от источника к окружающей среде ограничено. Точное знание местоположения узкого горлышка на плате позволяет разместить поверх него медную площадку и, тем самым, решить выявленную проблему.
После модификации конструкции целесообразно вновь выполнить тепловое моделирование и выявить новое распределение показателей Bn и Sc. Проведение этих операций для рассматриваемой платы позволило обнаружить большое число Sc-путей на сигнальном слое и в плоскостях питания и заземления под медной площадкой и печатными контактами приборов в корпусах TO-263 (рис.3). Это указывает на возможность установления коротко замыкающих путей распространения тепла между данными тремя слоями, что соответствует и интуитивно принимаемому разработчиком решению на основе того факта, что тепло распространяется в металлических слоях печатной платы радиально, тогда как диэлектрики с низкой теплопроводностью препятствуют распространению тепла. Создание сквозных отверстий для передачи выделяемого тепла скрытой плоскости заземления – хороший способ использовать достоинства «закорачивания» узких горлышек.
Изучение разброса показателей Bn и Sc для приборов в TO-263 корпусах позволяет точно и быстро определить форму медной площадки, а также положение «тепловых» сквозных отверстий без проведения традиционных методов «проб и ошибок» (рис.4). В рассматриваемом случае добавление медной площадки и сквозных отверстий позволило уменьшить температуру приборов в TO-263 корпусах на 30%, т.е. до меньшего, чем заданно в ТУ значения.
В приведенном примере на основе полученных показателей Bn и Sc были выполнены три модификации путей распространения тепла и в результате существенно понижена температура трех компонентов с избыточным нагревом, выявленных в результате CFD-моделирования.
Таким образом, показатели Bn и Sc позволяют обнаруживать узкие тепловые горлышки печатной платы и пути их обхода для более эффективного отвода выделяемого компонентами платы тепла. В результате разработчики получают простой и эффективный способ определения наиболее перспективных конструктивных изменений, которые можно выполнять, без необходимости моделирования распределения тепла для всех всех возможных изменений конструкции, предпринимаемых на основе своего опыта и интуиции с целью выбора наилучшего решения задачи отвода тепла.
Литература
1. Blackmoreejohn Parry B. and Bornoff R. PCB Thermal Design DEVELOPMENT. – Printed Circuit Design & Fab / circuits Assembly, 2010, Nov., p.30–32.
2. https://www.mentor.com/products/pcb-system-design/news/flotherm-innovation
печатной платы с микросхемами
Разработанные за последние 20 лет методы вычислительной гидро- и газодинамики (Computational Fluid Dynamics, CFD) позволяют моделировать трехмерное распределение тепла, отводимого в воздушную среду, окружающую плату, и предсказывать значения температуры корпусов и p-n-переходов полупроводниковых приборов на плате в реальных рабочих условиях. Проектировщики обычно используют эти предсказанные значения для оценки соответствия характеристик создаваемого устройства его техническим условиям путем сравнения значений температуры, полученных в результате моделирования теплового распределения, с максимальными заданными значениями. Если значение рабочей температуры превышает заданное, то очевидно возможна деградация характеристик полупроводникового компонента, а в худшем случае – и риск его отказа в результате термомеханического воздействия. Путем моделирования трехмерного распределения температуры и температурного поля платы можно получить подробную и полезную информацию о тепловых свойствах платы, но этот метод не позволяет понять физику возникновения избыточного тепла и чем вызвано полученное распределение температур. Векторы теплового потока позволяют определить пути устранения избыточного тепла, но при этом знание направления вектора и значения температуры не достаточно для установления причины выделения этого избыточного тепла. Нельзя и определить наилучшие пути отвода тепла или требуемую для улучшения рабочих характеристик устройства корректировку конструкции платы.
По характеру пути распространения теплового потока от различных его источников до окружающей среды можно судить о значениях температуры источников и всех точек на этом пути. Путь теплового потока трехмерен и не однороден, на некоторых участках его распространение затруднено, на других — облегчено. Участки с большим тепловым сопротивлением, в которых с трудом распространяется большое количество тепла, образуют так называемые узкие горлышки. Путем изменения конструкции системы можно избавиться от части таких узких горлышек, облегчить распространение тепла от источника к окружающей среде и, тем самым, уменьшить рост температуры на всем пути теплового потока. Кроме того, существуют и нереализованные пути распространения теплового потока по участкам с меньшей, чем на других участках платы, температурой. Таким образом, доработка конструкции позволяет не только облегчить проблему возникновения узких горлышек, но и ввести тепловые так называемые «коротко замыкающие» пути отвода тепла, позволяющие обойти участки с большим тепловым сопротивлением.
Без выявления таких узких горлышек и определения коротко замыкающих их путей разработчики печатных плат сталкиваются с трудным выбором: либо необходимостью приглашать экспертов для решения тепловых проблем, либо надеяться на возможность введения теплоотводов после сборки печатной платы. Поскольку при моделировании нельзя определить направление распространения теплового потока, инженеры-теплотехники при решении задачи улучшения теплового режима печатной платы с микросхемами обычно опираются на свой опыт и техническую оценку получаемых результатов. И сегодня их задача, как правило, заключается в разработке экспериментов, которые позволили бы оценить пути распространения теплового потока и автоматически оптимизировать конструкцию на основе данных, полученных при CFD-моделировании. А это занимает много времени и ресурсов, которые могут быть направлены на решение других не менее важных задач.
Предлагаемый специалистами компании Mentor Graphics метод оценки тепловых характеристик печатной платы с микросхемами основан на применении двух величин, описывающих трехмерное распределение температуры платы: числа узких горлышек Bn (BottelNecks) и числа коротких замыканий Sc (ShortCuts). Рассмотрение этих двух показателей позволяет принимать обоснованное решение проблемы улучшения тепловых характеристик платы за счет внесения поправок в ее конструкцию.
Векторы, узкие горлышки
и короткие замыкания
В каждой точке пространства платы существуют два вектора – удельного теплового потока и температурного градиента. Удельный тепловой поток – это поток тепла через площадь заданного поперечного сечения на пути его распространения, температурный градиент определяет тепловое сопротивление данному тепловому потоку. Чем больше температурный градиент, тем больше тепловое сопротивление. Число Bn представляет собой скалярное произведение значений этих двух векторов, умноженное на число затрудняющих распространение теплового потока узких горлышек. Число Bn не всегда равно этому произведению, особенно если на плате расположено несколько источников тепла (что присуще большинству плат с микросхемами). В последнем случае локальные распределения тепловых потоков достаточно далеко отстоящих друг от друга компонентов не зависят друг от друга.
Чтобы проиллюстрировать действие предложенного метода оценки тепловых характеристик обычной платы с воздушным охлаждением, рассмотрим плату с микросхемой в корпусе BGA и двумя схемами в корпусах TO-263. Из полученного в результате CFD-анализа трехмерного распределения тепла на плате следует, что значения температуры, превышающие максимальные, приведенные в технических условиях значения, в первую очередь у микросхемы в корпусе BGA и затем у двух, расположенных выше и правее приборов в TO-263 (рис.1а). Созданные компанией Mentor Graphics программные средства FloTHERME 3D последнего поколения позволяют получить поля действия Bn и Sc [2]. На основе полученного распределения коротко замыкающих путей (рис.1б) можно сделать вывод, что больше всего Sc-путей находится у компонента с самой высокой температурой, т.е. у микросхемы в BGA-корпусе. Правда, такая ситуация встречается не всегда, температура компонента может быть высокой вследствие высокой температуры окружающей среды. Большое число Sc-путей у верхушки микросхемы в корпусе BGA указывает на относительно эффективную локальную конвективную теплопередачу. Поэтому наиболее очевидной мерой по корректировке конструкции платы становится установка теплоотвода для схемы в корпусе BGA, который облегчит отвод тепла от верхушки корпуса в окружающую воздушную среду. Отмечается, что благодаря такому изменению конструкции удалось снизить температуру p-n-переходов микросхемы на 70%, в результате чего она оказалась намного ниже максимально допустимой для бесперебойной работы температуры, приводимой в ТУ.
Рассмотрим теперь приборы в корпусах TO-263, число Bn которых после установки теплоотвода у устройства в корпусе BGA стало самым большим на плате (рис.2). Следует отметить, что большое число узких горлышек не означает, что участки, на которых они присутствуют, имеют саму высокую температуру на плате. Напротив, значения Bn и кривые распространения теплового потока указывают участки, на которых распространение теплового потока от источника к окружающей среде ограничено. Точное знание местоположения узкого горлышка на плате позволяет разместить поверх него медную площадку и, тем самым, решить выявленную проблему.
После модификации конструкции целесообразно вновь выполнить тепловое моделирование и выявить новое распределение показателей Bn и Sc. Проведение этих операций для рассматриваемой платы позволило обнаружить большое число Sc-путей на сигнальном слое и в плоскостях питания и заземления под медной площадкой и печатными контактами приборов в корпусах TO-263 (рис.3). Это указывает на возможность установления коротко замыкающих путей распространения тепла между данными тремя слоями, что соответствует и интуитивно принимаемому разработчиком решению на основе того факта, что тепло распространяется в металлических слоях печатной платы радиально, тогда как диэлектрики с низкой теплопроводностью препятствуют распространению тепла. Создание сквозных отверстий для передачи выделяемого тепла скрытой плоскости заземления – хороший способ использовать достоинства «закорачивания» узких горлышек.
Изучение разброса показателей Bn и Sc для приборов в TO-263 корпусах позволяет точно и быстро определить форму медной площадки, а также положение «тепловых» сквозных отверстий без проведения традиционных методов «проб и ошибок» (рис.4). В рассматриваемом случае добавление медной площадки и сквозных отверстий позволило уменьшить температуру приборов в TO-263 корпусах на 30%, т.е. до меньшего, чем заданно в ТУ значения.
В приведенном примере на основе полученных показателей Bn и Sc были выполнены три модификации путей распространения тепла и в результате существенно понижена температура трех компонентов с избыточным нагревом, выявленных в результате CFD-моделирования.
Таким образом, показатели Bn и Sc позволяют обнаруживать узкие тепловые горлышки печатной платы и пути их обхода для более эффективного отвода выделяемого компонентами платы тепла. В результате разработчики получают простой и эффективный способ определения наиболее перспективных конструктивных изменений, которые можно выполнять, без необходимости моделирования распределения тепла для всех всех возможных изменений конструкции, предпринимаемых на основе своего опыта и интуиции с целью выбора наилучшего решения задачи отвода тепла.
Литература
1. Blackmoreejohn Parry B. and Bornoff R. PCB Thermal Design DEVELOPMENT. – Printed Circuit Design & Fab / circuits Assembly, 2010, Nov., p.30–32.
2. https://www.mentor.com/products/pcb-system-design/news/flotherm-innovation
Отзывы читателей
