ניהול תרמי ביישומי נגדים בהרכבה-משטחית

ניהול תרמי הופך להיות חשוב יותר ככל שצפיפות הרכיבים האלקטרוניים בלוחות המעגלים המודפסים (PCB) המודרניים, כמו גם ההספק המופעל, ממשיכים לעלות. שני הגורמים מובילים לטמפרטורות גבוהות יותר של הרכיבים הבודדים ושל המכלל כולו. עם זאת, יש להשתמש בכל רכיב חשמלי שבמכלל במסגרת גבולות טמפרטורת הפעולה שנקבעו לו בשל תכונות החומר והיבטי האמינות שלו. במאמר זה ניתנות תוצאות ניסיוניות על מנת למנוע התחממות-יתר של רכיבים אלקטרוניים כגון נגדים בהרכבה-משטחית.

הפסדים חשמליים והעברת חום

החום מתפזר בנגד עקב ההפסדים החשמליים (אפקט Joule), וכתוצאה מכך הטמפרטורה עולה. ברגע שמתרחש גרדיינט טמפרטורה, החום מתחיל לזרום. לאחר זמן מסוים, התלוי במאפייני קיבולת החום וההולכה התרמית של ההתקן, הוא יגיע למצב-יציב.

מכיוון שאופי הולכת חום דרך גוף דומה לחוק אוהם להולכה חשמלית, ניתן לכתוב את המשוואה מחדש (ראו סעיף יסודות העברת חום במאמר זה):

(1)

כאשר

(2‏)

היא ההתנגדות התרמית בממד של [K/W], שיכולה להיחשב כבלתי-תלויה בטמפרטורה עבור רוב החומרים ומשטרי הטמפרטורה המעניינים ביישומי אלקטרוניקה.

איור 1‏: איור סכמטי של מסלול זרימת החום העיקרי של נגד שבב על לוח PCB. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

התנגדות תרמית

מודל מוערך של התנגדות תרמית

העברת חום בהתקני אלקטרוניקה כגון נגדים בהרכבה-משטחית על לוחות PCB ניתנת לתיאור על ידי מודל מוערך של התנגדות תרמית. כאן, החום הישיר המועבר מפילם הנגד לאוויר הסובב (הסביבה) על ידי הולכה דרך ציפוי הלכה ועל ידי הסעת אוויר חופשי הוא זניח. לפיכך, החום מתפשט דרך מצע האלומינה, מגעי השבב ממתכת, נקודת ההלחמה ולבסוף דרך הלוח (FR4 כולל מעטה נחושת). החום מלוח ה- PCB מועבר לאוויר הסובב באמצעות הסעה טבעית (איור 2).

לשם הפשטות ניתן לתאר את ההתנגדות התרמית הכוללת RthFA כסדרה של נגדים תרמיים עם הטמפרטורות המתאימות בממשקים כדלקמן:

(3‏)

המעגל האקוויוולנטי של ההתנגדות התרמית המתאימה מוצג באיור 2 שבו

_thFC‏R‏ הוא ההתנגדות התרמית הפנימית של רכיב הנגד, כולל שכבות הנגד, המצע והמגעים שבתחתית;

_thCS‏R‏ הוא ההתנגדות התרמית של נקודת ההלחמה;

_thSB‏R‏ הוא ההתנגדות התרמית של לוח ה- PCB, כולל פדי הנחיתה, פסי ההולכה של המעגל וחומר הבסיס;

_thBA‏R‏ הוא ההתנגדות התרמית של העברת החום ממשטח לוח ה- PCB אל הסביבה (האוויר שמסביב); ו-

_thFA‏R‏ הוא ההתנגדות התרמית הכוללת מהפילם הדק של הנגד אל הסביבה (האוויר שמסביב).

הטמפרטורות עבור הצמתים במעגל האקוויוולנטי של ההתנגדות התרמית תקפות עבור ממשקים המתאימים:

_פילםϑ הוא טמפרטורת הפילם-הדק המקסימלית באזור החם;

_מגעϑ הוא הטמפרטורה בממשק שבין המגעים שבתחתית ונקודת ההלחמה (תקף עבור נקודות הלחמה בגודל מינימום, אחרת עשויים להכניס נגדים תרמיים מקביליים מסוימים);

_הלחמהϑ הוא הטמפרטורה בממשק בין נקודת ההלחמה ופד הנחיתה (מעטה הנחושת של לוח ה- PCB);

_לוחϑ הוא הטמפרטורה של משטח לוח ה- PCB; ו-

_סביבהϑ הוא הטמפרטורה של האוויר שמסביב.

איור 2‏: מעגל אקוויוולנטי של התנגדות תרמית מוערכת של נגד שבב על לוח PCB. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

יסודות העברת חום

אנרגיה תרמית ניתנת להעברה באמצעות שלושה מנגנונים בסיסיים: הולכה, הסעה והקרנה.

(4‏)

הולכה

קצב זרימת החום עבור הולכה הוא פרופורציונלי לגרדיינט החד-ממדי dϑ/dx, כאשר λ הוא בממדים של [W/mK] והוא המוליכות התרמית הספציפית, ו- A‏ הוא אזור חתך-הרוחב של שטף החום:

(5‏)

שלו ממדים של [W‏]. עבור גוף קובייתי פשוט באורך L‏ ושני ממשקים מקבילים A‏ בטמפרטורות שונות, ₁ϑ ו- ₂ϑ, המשוואה להעברת החום היא

(6‏)

הסעה

את קצב זרימת החום עבור הסעה ניתן לתאר באופן דומה למשוואה (6),

(7‏)

כאשר α הוא מקדם ההסעה, A‏ הוא שטח הפנים בטמפרטורה _ϑ1 של האובייקט ו- _ϑ2 הוא הטמפרטורה של הנוזל שמסביב (למשל אוויר). המקדם α כולל את מאפייני החומר של הנוזל (קיבולת החום והצמיגות) ותנאי תנועת הנוזל (קצב הזרימה, הסעה מאולצת/לא-מאולצת והצורות הגיאומטריות). בנוסף, זה תלוי גם בהפרש הטמפרטורה _2‏ϑ‏ - _1‏ϑ‏ עצמו. לפיכך, משוואה (7) נראית פשוטה, אך עבור פיתרון בעיות העברת חום, המקדם α צריך להיות כמעט תמיד בקירוב או להיקבע באופן ניסיוני.

הקרנה

את שטף ההקרנה התרמית ניתן לתאר על ידי חוק Stefan-Boltzmann‏ (משוואה (8)), שתוצאתו היא השטף נטו בין שני אובייקטים בטמפרטורות שונות _ϑ1 ו- _ϑ2 (משוואה (9)), בהנחה של יחס הקרנה ושטח פנים זהים. ב-

(8)

(9)

בדרך כלל, יותר מ- %‏90 מהחום הכולל יתפזר על ידי הולכת חום. אבל, עבור דימות תרמית אינפרה-אדום, משוואה (9) היא בעלת עניין בסיסי.

האנלוגיה של התנגדות חשמלית והתנגדות תרמית

הזרם החשמלי I‏ העובר בנגד חשמלי R‏ הוא פרופורציונלי להפרש הפוטנציאל החשמלי 1‏_U‏ ו- 2‏_U‏:

איור ‎3a‏: הזרם החשמלי העובר בנגד חשמלי הוא פרופורציונלי להפרש הפוטנציאל החשמלי 1‏_U‏ ו- 2‏_U‏. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

קצב זרימת החום P העובר דרך נגד תרמי _th‏R‏ הוא פרופורציונלי להפרש הטמפרטורות של _1‏ϑ ו- _2‏ϑ‏:

איור ‎3b‏:P קצב זרימת החום העובר דרך נגד תרמי הוא פרופורציונלי להפרש הטמפרטורות של _1‏ϑ ו- _2‏ϑ‏. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

בדומה לנגדים חשמליים, ניתן לתאר את ההתנגדות התרמית של יותר מאובייקט אחד במכלל על ידי רשתות של נגדים תרמיים בטור ובמקביל, כפי שמוצג עבור שני נגדים תרמיים במשוואות הבאות:

(10)

(11)

התנגדות תרמית פנימית

ההתנגדות התרמית הפנימית _thFC‏R‏ היא ערך ספציפי-לרכיב שנקבע בעיקר על ידי המצע הקרמי (מוליכות תרמית וגיאומטריה ספציפית).

התנגדות תרמית של נקודת הלחמה

עבור הלחמה קונבנציונלית, ההתנגדות התרמית _thCS‏R‏ היא זניחה עקב מוליכות תרמית ספציפית גבוהה יחסית של ההלחמה ויחס גדול של שטח חתך-רוחב ואורך מסלול הזרימה (כ- K/W‏ 1‏). זה תקף, במיוחד עבור מרווח קטן. נקודת הלחמה גדולה יותר יכולה להיחשב כנגד תרמי אחד בין המגעים שבתחתית ונגד תרמי מקביל נוסף (ממגע צד לפד הנחיתה), המשפר את ההולכה התרמית באופן שולי. לכן אנו יכולים להעריך את ההתנגדות התרמית הכוללת של הרכיב, כולל נקודת הלחמה שלו:

(12)

שימו לב שבמקרה של הלחמה לא תקינה, ההתנגדות התרמית _thCS‏R‏ תוביל להתנגדות תרמית כוללת גבוהה יותר. במיוחד, חללים בהלחמה או כיסוי הלחמה לא מספיק עלולים לגרום להתנגדות תרמית מגע משמעותית או להפחתת אזורי חתך-הרוחב של מסלולי הזרימה ויובילו לירידה בביצועים התרמיים.

התנגדות תרמית ספציפית-ליישום

ההתנגדות התרמית הכוללת _thFA‏R‏ כוללת את המאפיין התרמי של רכיב הנגד עצמו ושל לוח ה- PCB, כולל יכולתו לפזר חום לסביבה. ההתנגדות התרמית של ההלחמה-לסביבה, _thSA‏R‏, תלויה מאוד בתכן הלוח, שלו השפעה עצומה על סך ההתנגדות התרמית _thFA‏R‏ (במיוחד עבור ערכי _thFC‏R ספציפיים-לרכיב נמוכים ביותר). ההתנגדות התרמית של הלוח-לסביבה _thBA‏R‏, כוללת את התנאים הסביבתיים כגון זרימת אוויר. האחריות לבחירת החומרים והממדים מוטלת על מתכנן המעגלים.

קביעה בניסוי של ההתנגדות התרמית

דימות תרמית אינפרה-אדום

דימות תרמית אינפרה-אדום היא בשימוש נרחב עבור ניסויים תרמיים. באיור 6 מוצגת תמונה תרמית אינפרה-אדום של נגד שבב 0603 בעומס של mW‏ 200 בטמפרטורת החדר. ניתן לראות את הטמפרטורה המקסימלית במרכז משטח הלכה. הטמפרטורה של נקודות ההלחמה היא בערך K‏ 10 מתחת לטמפרטורה המקסימלית. טמפרטורת סביבה שונה תוביל לתזוזה בטמפרטורות הנצפות.

קביעת ההתנגדות התרמית הכוללת

את התנגדות תרמית ניתן לקבוע על ידי גילוי טמפרטורת הפילם המקסימלית כפונקציה של ההספק המפוזר בתנאי המצב-היציב. לצורך קביעת ההתנגדות התרמית הכוללת _thFA‏R‏ של רכיב בודד, משתמשים בלוחות PCB סטנדרטיים לבדיקה ⁽¹⁾. הרכיב שבמיקום המרכזי הוא הנמדד. מכיוון שניתן לכתוב מחדש את משוואה (1)

(13)

קירוב פשוט מוביל ישירות להתנגדות התרמית _thFA‏R‏ = K/W‏ 250 עבור נגד שבב 0603‏ (איור 4‏).

איור 4‏: עליית הטמפרטורה של נגד שבב MCT 0603 על לוח PCB סטנדרטי לבדיקה כפונקציה של ההספק המפוזר. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

רמת האינטגרציה

נגד שבב 1206‏ יחיד המורכב על לוח PCB (איור A‏5‏) מוביל להתנגדות תרמית כוללת של _thFA‏R‏ = K/W‏ 157 (איור 7‏). נגדים נוספים על לוח ה- PCB (כל אחד עם עומס זהה, איור 5‏, B ו- C) מובילים לעליית טמפרטורה משופרת (K/W‏ 204 עבור 5 נגדים ו- K/W‏ 265 עבור 10 נגדים, בהתאמה).

איור 5‏: איור סכמטי של נגדי שבב אחד (A), חמישה (B) ועשרה (C) על לוח PCB סטנדרטי לבדיקה. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

כל הנתונים נגזרים מלוח הבדיקה הסטנדרטי. עם זאת, הנתונים יכולים לשמש להשוואת רכיבים שונים ולהערכה כללית של יכולת פיזור החום של תכן נתון, אם כי הערכים המוחלטים ישתנו בתכנים שונים. הנתונים יכולים גם לשמש לאימות סימולציות מספריות.

איור 6‏: איור סכמטי (A) ותמונת תרמית אינפרה-אדום (B) של נגד שבב 0603 ב- mW‏ 200‏ (טמפרטורת סביבה של 23°C, לוח PCB סטנדרטי לבדיקה). (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

קביעת ההתנגדות התרמית הפנימית של הרכיב

החלפת לוח PCB בגוף אידיאלי עם מוליכות תרמית גבוהה וקיבולת חום הנוטה לאינסוף (בעולם האמיתי מתאים בלוק נחושת גולמית, איור 8) מובילה ל-

איור 7‏: עליית הטמפרטורה וההתנגדות התרמית RthFA הנגזרות מטמפרטורות פילם מקסימליות, הנקבעות באופן ניסיוני, כפונקציה של ההספק המפוזר. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

שוב, ההתנגדות התרמית הפנימית _thFC‏R‏ נקבעה באופן ניסיוני על ידי גילוי טמפרטורות הפילם המקסימלית באמצעות דימות תרמית אינפרה-אדום כפונקציה של ההספק המפוזר. לוח ה- PCB הסטנדרטי הוחלף בשני בלוקי נחושת מבודדים חשמלית (10 מ"מ x‏ 60 מ"מ x‏ 60 מ"מ). באיור 9, ערכי ההתנגדות התרמית הפנימית _thFC‏R‏ ניתנים עבור כמה רכיבים פסיביים כגון נגדי שבב, מערכי נגדי שבב ונגדי MELF, כמוצג באיור 10.

כתוצאה מכך, ההתנגדות התרמית יורדת עם רוחב המגע (טבלה 1). היחס הטוב ביותר של התנגדות תרמית וגודל שבב מסופק על ידי נגדים עם הדקים רחבים. ההתנגדות התרמית הפנימית של נגד שבב עם הדקים רחבים 0406‏ (K/W‏ 30) זהה כמעט להתנגדות התרמית של נגד שבב 1206‏ (K/W‏ 32‏).

איור 8: איור סכמטי של מסלול זרימת החום העיקרי וההתנגדות התרמית המוערכת המתאימה של המעגל האקוויוולנטי של נגד שבב על בלוק נחושת גולמית. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

איור 9‏: ההתנגדות התרמית הפנימית RthFC הנגזרת מטמפרטורות פילם מקסימליות, הנקבעות באופן ניסיוני , כפונקציה של ההספק המפוזר. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

איור 10: נגדים בהרכבה-משטחית בסוגים וגדלים שונים. (מקור התמונה: Vishay Beyschlag‏)

התנגדויות תרמיות פנימיות שנקבעו באופן ניסיוני עבור נגדים בהרכבה-משטחית גודל רכיב הנגד thFC‏R‏ [K/W‏] 0406‏ 30 1206 32 0805 38 0603 63 0402 90 ACAS 0612 20 ACAS 0606 39 MELF 0207 26 MELF 0204 46

טבלה 1‏: התנגדויות תרמיות פנימיות שנקבעו באופן ניסיוני עבור נגדים בהרכבה-משטחית.

סיכום

תכן לוח ה- PCB והתנאים הסביבתיים של המכלל כולו קובעים בעיקר את ההתנגדות התרמית הכוללת RthFA. כפי שהודגם, רמת אינטגרציה מופחתת של רכיבים מפזרי-חום מובילה גם לטמפרטורות נמוכות יותר של רכיבים בודדים. זה סותר את המגמה המתמשכת של מזעור, אך ניתן לשקול זאת באזורים מסוימים של לוח חלקי. מלבד שינויים בתכן לוח ה- PCB, ניתן לשפר משמעותית את פיזור החום ברמת הרכיבים על ידי בחירת רכיבים ממוטבים, כגון נגדים עם הדקים רחבים (למשל גודל שבב 0406).

כמה שיקולים בסיסיים מועילים במניעת התחממות-יתר ביישומים של נגדים בהרכבה-משטחית:

• את פיזור החום ניתן לתאר על ידי מודל התנגדות תרמית מוערך וניתוח באמצעות דימות תרמית אינפרה-אדום ברזולוציה מרחבית ותרמית מספקת.
• את ההתנגדות התרמית הפנימית הספציפית-לרכיב _thFC‏R‏ ניתן לקבוע באופן ניסיוני.
• ההתנגדות התרמית הכוללת _thFA‏R‏ כוללת את המאפיין התרמי של רכיב הנגד עצמו ושל לוח ה- PCB, כולל יכולתו לפזר חום לסביבה. היא נגזרת בדרך כלל מההשפעות החיצוניות האחרונות. האחריות על הניהול התרמי, במיוחד בנוגע לתכן לוח ה- PCB ותנאי הסביבה של היישום, מוטלת על מתכנן המעגלים .
• הטמפרטורה המקסימלית מושגת במרכז משטח הלכה המכסה את שכבת הנגד. יש לשים לב לחיבורי ההלחמה. בדרך כלל, טמפרטורות של בערך K‏ 10 מתחת לטמפרטורה המקסימלית עשויות להיות קשורות לטמפרטורות התכת הלחמה, יצירת פאזות בין-מתכתיות או התקלפות-הלמינציה של לוח ה- PCB. יש לשקול זאת במיוחד בטמפרטורות סביבה גבוהות.
• הבחירה ברכיבי נגד יציבים-בטמפרטורה, כמו גם בחומרי בסיס לוח PCB וההלחמה, היא חיונית. מוצרים בדירוג כלי-רכב כגון שבבי פילם-דק ונגדי MELF (טמפרטורת פעולה מקסימלית של הפילם של עד C‏°‏175‏) מתאימים עבור יישומים רבים.
• ביצועים תרמיים משופרים עבור פיזור החום ניתן להשיג על ידי
  • תכן לוח ה- PCB (למשל, חומר הבסיס, פדי הנחיתה ומוליכי המעגל)
  • תנאי הסביבה של כל המכלל (העברת חום בהסעה)
  • רמת אינטגרציה מופחתת של רכיבים המפזרים חום
  • רכיבים הממוטבים עבור פיזור החום (נגדים עם הדקים רחבים)

הערה

1. על פי EN 140400, 2.3.3‏: חומר בסיס FR4‏ 100 מ"מ x‏ 65 מ"מ x‏ 1.4 מ"מ, שכבת Cu של μm‏ 35‏, מסלול פד/מעגל ברוחב 2.0 מ"מ.