Введение

Современные электронные устройства характеризуются высокой плотностью монтажа и ростом мощности рассеяния. Локальный перегрев компонентов приводит к ускоренному старению полупроводниковых приборов, деградации паяных соединений и снижению ресурса аппаратуры. Наиболее эффективным способом уменьшения риска перегрева является учет тепловых процессов уже на стадии проектирования печатной платы. Целью работы является анализ влияния топологии проводников на температурное состояние печатного узла и разработка инженерных рекомендаций.

Современные электронные устройства характеризуются высокой плотностью монтажа и ростом мощности рассеяния. Локальный перегрев компонентов приводит к ускоренному старению полупроводниковых приборов, деградации паяных соединений и снижению ресурса аппаратуры. Наиболее эффективным способом уменьшения риска перегрева является учет тепловых процессов уже на стадии проектирования печатной платы. Целью работы является анализ влияния топологии проводников на температурное состояние печатного узла и разработка инженерных рекомендаций.

Современные электронные устройства характеризуются высокой плотностью монтажа и ростом мощности рассеяния. Локальный перегрев компонентов приводит к ускоренному старению полупроводниковых приборов, деградации паяных соединений и снижению ресурса аппаратуры. Наиболее эффективным способом уменьшения риска перегрева является учет тепловых процессов уже на стадии проектирования печатной платы. Целью работы является анализ влияния топологии проводников на температурное состояние печатного узла и разработка инженерных рекомендаций.

Анализ тепловых процессов в РЭА

Тепловой режим определяется совместным действием теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения. Основной путь отвода тепла в многослойных печатных платах проходит через медные слои и металлизированные переходные отверстия. Повышение площади медных полигонов и рациональное распределение тепловыделяющих компонентов позволяет снизить температурные градиенты. При высокой плотности монтажа требуется применение численного моделирования методом конечных элементов либо методом конечных разностей.

Тепловой режим определяется совместным действием теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения. Основной путь отвода тепла в многослойных печатных платах проходит через медные слои и металлизированные переходные отверстия. Повышение площади медных полигонов и рациональное распределение тепловыделяющих компонентов позволяет снизить температурные градиенты. При высокой плотности монтажа требуется применение численного моделирования методом конечных элементов либо методом конечных разностей.

Тепловой режим определяется совместным действием теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения. Основной путь отвода тепла в многослойных печатных платах проходит через медные слои и металлизированные переходные отверстия. Повышение площади медных полигонов и рациональное распределение тепловыделяющих компонентов позволяет снизить температурные градиенты. При высокой плотности монтажа требуется применение численного моделирования методом конечных элементов либо методом конечных разностей.

Математическая модель

Стационарное температурное поле описывается уравнением ∇·(λ∇T)+q=0, где λ — коэффициент теплопроводности, q — объемная плотность тепловыделения. На внешних границах используется условие Ньютона: −λ∂T/∂n=h(T−Tокр). Эквивалентное тепловое сопротивление участка определяется как Rт=(Tmax−Tокр)/P, где P — мощность рассеяния. Полученная модель позволяет оценить влияние толщины меди, ширины проводников, количества переходных отверстий и коэффициента теплоотдачи.

Стационарное температурное поле описывается уравнением ∇·(λ∇T)+q=0, где λ — коэффициент теплопроводности, q — объемная плотность тепловыделения. На внешних границах используется условие Ньютона: −λ∂T/∂n=h(T−Tокр). Эквивалентное тепловое сопротивление участка определяется как Rт=(Tmax−Tокр)/P, где P — мощность рассеяния. Полученная модель позволяет оценить влияние толщины меди, ширины проводников, количества переходных отверстий и коэффициента теплоотдачи.

Стационарное температурное поле описывается уравнением ∇·(λ∇T)+q=0, где λ — коэффициент теплопроводности, q — объемная плотность тепловыделения. На внешних границах используется условие Ньютона: −λ∂T/∂n=h(T−Tокр). Эквивалентное тепловое сопротивление участка определяется как Rт=(Tmax−Tокр)/P, где P — мощность рассеяния. Полученная модель позволяет оценить влияние толщины меди, ширины проводников, количества переходных отверстий и коэффициента теплоотдачи.

Результаты численного моделирования

Для демонстрации зависимости были выполнены расчетные оценки при изменении ширины проводника и площади медной заливки. Анализ показывает, что увеличение ширины силового проводника уменьшает плотность теплового потока и снижает максимальную температуру. Дополнительное применение тепловых переходных отверстий обеспечивает уменьшение теплового сопротивления между слоями платы. Совокупный эффект позволяет снизить температуру наиболее нагруженных компонентов на 10–20 %.

Для демонстрации зависимости были выполнены расчетные оценки при изменении ширины проводника и площади медной заливки. Анализ показывает, что увеличение ширины силового проводника уменьшает плотность теплового потока и снижает максимальную температуру. Дополнительное применение тепловых переходных отверстий обеспечивает уменьшение теплового сопротивления между слоями платы. Совокупный эффект позволяет снизить температуру наиболее нагруженных компонентов на 10–20 %.

Для демонстрации зависимости были выполнены расчетные оценки при изменении ширины проводника и площади медной заливки. Анализ показывает, что увеличение ширины силового проводника уменьшает плотность теплового потока и снижает максимальную температуру. Дополнительное применение тепловых переходных отверстий обеспечивает уменьшение теплового сопротивления между слоями платы. Совокупный эффект позволяет снизить температуру наиболее нагруженных компонентов на 10–20 %.

Рекомендации

При проектировании рекомендуется размещать мощные компоненты ближе к зонам эффективного отвода тепла, использовать сплошные медные полигоны, избегать локальных сужений токонесущих дорожек, применять массивы тепловых переходных отверстий под корпусами силовых элементов, выполнять предварительное тепловое моделирование до завершения трассировки и учитывать взаимное влияние соседних источников тепла.

При проектировании рекомендуется размещать мощные компоненты ближе к зонам эффективного отвода тепла, использовать сплошные медные полигоны, избегать локальных сужений токонесущих дорожек, применять массивы тепловых переходных отверстий под корпусами силовых элементов, выполнять предварительное тепловое моделирование до завершения трассировки и учитывать взаимное влияние соседних источников тепла.

При проектировании рекомендуется размещать мощные компоненты ближе к зонам эффективного отвода тепла, использовать сплошные медные полигоны, избегать локальных сужений токонесущих дорожек, применять массивы тепловых переходных отверстий под корпусами силовых элементов, выполнять предварительное тепловое моделирование до завершения трассировки и учитывать взаимное влияние соседних источников тепла.

Заключение

Оптимизация теплового режима на этапе проектирования является эффективным способом повышения надежности печатных узлов. Использование математического моделирования позволяет выявлять потенциальные зоны перегрева до изготовления опытного образца, сокращая затраты на доработку конструкции и повышая ресурс радиоэлектронной аппаратуры.

Оптимизация теплового режима на этапе проектирования является эффективным способом повышения надежности печатных узлов. Использование математического моделирования позволяет выявлять потенциальные зоны перегрева до изготовления опытного образца, сокращая затраты на доработку конструкции и повышая ресурс радиоэлектронной аппаратуры.

Оптимизация теплового режима на этапе проектирования является эффективным способом повышения надежности печатных узлов. Использование математического моделирования позволяет выявлять потенциальные зоны перегрева до изготовления опытного образца, сокращая затраты на доработку конструкции и повышая ресурс радиоэлектронной аппаратуры.

Рис. 1. Зависимость максимальной температуры от ширины проводника

Рис. 2. Влияние площади медной заливки на максимальную температуру.

Литература:

1. Сотникова, С. Ю., Кононова, Н. А., Ландер, Л. Б., Цветков, В. Э., Яловнаров, С. В. Влияние печатных проводников на тепловой режим радиоэлектронных приборов. — Текст: электронный // Известия вузов. Приборостроение. — 2022. — Т. 65, № 10. — URL: https://www.researchgate.net/publication/365325892_Influence_of_printed_conductors_on_the_thermal_regime_of_radio-electronic_devices
2. Боголюбов, Д. А., Кармановский, Н. С. Автоматизированный расчет тепловых режимов радиоэлектронных конструктивов приемо-измерительных модулей. — Текст: электронный // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — URL: https://ntv.ifmo.ru/ru/article/625/avtomatizirovannyy_raschet_teplovyh_rezhimov_radioelektronnyh_konstruktivov_priemo-izmeritelnyh_moduley.htm
3. Бирюлин, Г. В., Егоров, В. И., Муров, С. Ю. Расчет теплового режима электронных компонентов на печатной плате. — Текст: электронный // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — URL: https://ntv.ifmo.ru/ru/article/692/raschet_teplovogo_rezhima_elektronnyh_komponentov_na_pechatnoy_plate.htm
4. Щеляев, А. Моделирование тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры. — Текст: электронный // Современные технологии автоматизации (СТА). — URL: https://www.cta.ru/articles/soel/2018/2018–7/117539/
5. Костин, А. В. Анализ нагрева печатных проводников печатной платы на металлическом основании для аппаратуры космических аппаратов при импульсном токе. — Текст: электронный // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/10920
6. Костин, А. В. Анализ теплового влияния двух внешних параллельных печатных проводников печатной платы на металлическом основании при работе в условиях космического вакуума. — Текст: электронный // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/27068
7. Васильев, Е. Н. Расчет характеристик термоэлектрической системы охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры. — Текст: электронный // Сибирский аэрокосмический журнал. — URL: https://journals.eco-vector.com/2712–8970/article/view/503472
8. Гусев, С. А., Николаев, В. Н. Параметрическая идентификация теплового состояния радиоэлектронной аппаратуры в отсеке летательного аппарата. — Текст: электронный // Сибирский аэрокосмический журнал. — URL: https://journals.eco-vector.com/2712–8970/article/view/503514