Managementul termic în aplicațiile rezistoarelor montate pe suprafață

Managementul termic devine din ce în ce mai important pe măsură ce densitatea componentelor electronice din plăcile moderne de circuite imprimate (PCB), precum și puterea aplicată, continuă să crească. Ambii factori conduc la temperaturi mai ridicate ale componentelor individuale și ale întregului ansamblu. Cu toate acestea, fiecare componentă electrică dintr-un ansamblu trebuie să fie utilizată între limitele de temperatură de funcționare prescrise, datorită proprietăților sale materiale și aspectelor legate de fiabilitate. Acest articol prezintă rezultate experimentale pentru prevenirea supraîncălzirii dispozitivelor electronice, cum ar fi rezistoarele cu montare pe suprafață.

Pierderi electrice și transfer de căldură

Căldura este disipată în rezistor prin pierderi electrice (efectul Joule), ceea ce duce la o creștere a temperaturii. Odată ce apare un gradient de temperatură, căldura începe să circule. După o anumită perioadă de timp (în funcție de capacitatea termică și de proprietățile de conducție termică ale dispozitivului), se va ajunge la o stare de echilibru. Debitul constant de căldură P_H corespunde puterii electrice disipate P_el (Figura 1).

Deoarece natura conducției termice printr-un corp este similară cu legea lui Ohm pentru conducția electrică, ecuația poate fi rescrisă (consultați secțiunea Bazele transferului de căldură din acest articol):

(1)

unde

(2)

este rezistența termică în dimensiunea [K/W], care poate fi considerată independentă de temperatură pentru majoritatea materialelor și regimurilor de temperatură de interes în aplicațiile electronice.

Figura 1: ilustrație schematică a traseului principal al fluxului de căldură al unui rezistor cip pe un PCB. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Rezistența termică

Modelul aproximat al rezistenței termice

Transferul de căldură în dispozitivele electronice, cum ar fi rezistoarele cu montare pe suprafață de pe PCB-uri, poate fi descris printr-un model aproximat al rezistenței termice. Aici se neglijează căldura directă transportată de la pelicula rezistorului la aerul înconjurător (ambiant) prin conducție prin stratul de lac și prin convecție liberă în aer. Astfel, căldura se propagă prin substratul de alumină, contactul cipului metalic, lipitură și, în cele din urmă, prin placă (FR4, inclusiv placarea cu cupru). Căldura din PCB este transferată în aerul înconjurător prin convecție naturală (Figura 2).

Pentru simplificare, rezistența termică generală RthFA poate fi descrisă ca o serie de rezistoare termice cu temperaturile corespunzătoare la interfețe, după cum urmează:

(3)

Circuitul echivalent al rezistenței termice respective este prezentat în Figura 2, unde

R_thFC este rezistența termică internă a componentei rezistorului, inclusiv a stratului, a substratului și a contactului inferior al rezistorului;

R_thCS este rezistența termică a lipiturii;

R_thSB este rezistența termică a PCB, inclusiv a plăcilor de fixare, a traseelor de circuit și a materialului de bază;

R_thBA este rezistența termică pentru transferul de căldură de la suprafața PCB la mediul ambiant (aerul din jur); și

R_thFA este rezistența termică generală de la pelicula subțire a rezistorului la mediul înconjurător (aerul din jur).

Temperaturile indicate pentru nodurile din circuitul echivalent de rezistență termică sunt valabile pentru interfețele respective:

ϑ_Film este temperatura maximă a peliculei subțiri în zona fierbinte;

ϑ_Contact este temperatura la interfața dintre contactul inferior și lipitură (valabilă pentru lipituri de dimensiuni minime, altfel pot fi introduse anumite rezistoare termice paralele);

ϑ_Solder este temperatura la interfața dintre lipitură și placa de fixare (placarea cu cupru a PCB);

ϑ_Board este temperatura suprafeței PCB; și

ϑ_Ambient este temperatura aerului înconjurător.

Figura 2: circuitul echivalent de rezistență termică aproximativă a unui rezistor cip pe un PCB. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Bazele transferului de căldură

Energia termică poate fi transferată prin trei mecanisme de bază: conducție, convecție și radiație.

(4)

Conducția

Debitul de căldură pentru conducție este proporțional cu gradientul unidimensional dϑ/dx, unde λ în dimensiunea [W/mK] este conductivitatea termică specifică, iar A este suprafața secțiunii transversale pentru fluxul de căldură:

(5)

care are dimensiunea [W]. Pentru un corp cubic simplu cu lungimea L și două interfețe paralele A la temperaturi diferite, ϑ₁ și ϑ₂, ecuația transferului de căldură este

(6)

Convecția

Debitul de căldură pentru convecție poate fi descris în mod similar cu ecuația (6),

(7)

unde α este coeficientul de convecție, A este suprafața la temperatura ϑ₁ a obiectului, iar ϑ₂ este temperatura fluidului înconjurător (de exemplu, aerul). Coeficientul α include proprietățile materiale ale fluidului (capacitatea termică și vâscozitatea) și condițiile de mișcare a fluidului (debit, convecție forțată/neforțată și forme geometrice). În plus, depinde și de diferența de temperatură ϑ₁ - ϑ₂. Astfel, ecuația (7) pare simplă, dar pentru rezolvarea problemelor legate de transferul de căldură, coeficientul α trebuie aproape întotdeauna să fie aproximat sau determinat experimental.

Radiația

Fluxul radiant termic poate fi descris prin legea Stefan-Boltzmann (ecuația (8)), rezultând într-un flux net între două obiecte la temperaturi diferite ϑ₁ și ϑ₂ (ecuația (9)), presupunând emisivitate și suprafață identice. În

(8)

(9)

ε este emisivitatea, σ= 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4 este constanta Stefan-Boltzmann, iar ϑ este temperatura unei suprafețe A. Cu toate acestea, transferul de căldură prin radiație conform ecuației (5) nu va fi luat în considerare aici, deoarece contribuția este mică la temperaturi scăzute. În mod normal, peste 90% din căldura totală va fi disipată prin conducție termică. Dar, pentru imagistica termică în infraroșu, ecuația (9) prezintă un interes de bază.

Analogia dintre rezistența electrică și rezistența termică

Curentul electric I care trece printr-un rezistor electric R este proporțional cu diferența de potențial electric U₁ și U₂:

Figura 3a: curentul electric care trece printr-un rezistor electric este proporțional cu diferența de potențial electric dintre U₁ și U₂. (Sursa imaginii: Vishay Beyshclag)

Debitul de căldură P care trece printr-un rezistor termic R_th este proporțional cu diferența de temperatură dintre ϑ₁ și ϑ₂:

Figura 3b: debitul de căldură care trece printr-un rezistor termic este proporțional cu diferența de temperatură dintre ϑ₁ și ϑ₂. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

La fel ca în cazul rezistoarelor electrice, rezistența termică a mai multor obiecte dintr-un ansamblu poate fi descrisă prin rețele de rezistoare termice în serie și în paralel, după cum se arată pentru două rezistoare termice în următoarele ecuații:

(10)

(11)

Rezistența termică internă

Rezistența termică internă R_thFC este o valoare specifică componentei, determinată în principal de substratul ceramic (conductivitate termică specifică și geometrie).

Rezistența termică a lipiturii

Pentru lipirea convențională, rezistența termică R_thCS este neglijabilă datorită conductivității termice specifice relativ ridicate a aliajului de lipit și unui raport mare între suprafața secțiunii transversale și lungimea traseului de curgere (aproximativ 1 K/W). Acest lucru este valabil, în special pentru un distanțier de mici dimensiuni. O lipitură mai mare poate fi considerată ca un rezistor termic între contactul inferior și un rezistor termic paralel suplimentar (de la contactul lateral la placa de fixare), îmbunătățind marginal conducția termică. Astfel, putem aproxima rezistența termică generală a componentei, inclusiv a lipiturii:

(12)

Rețineți că, în cazul unei lipiri necorespunzătoare, rezistența termică R_thCS va duce la o rezistență termică generală mai mare. În special, golurile din lipitură sau umezirea insuficientă a lipiturii ar putea cauza o rezistență termică de contact semnificativă sau suprafețe reduse ale secțiunii transversale a căilor de curgere și vor duce la deteriorarea performanței termice.

Rezistențe termice specifice aplicației

Rezistența termică generală R_thFA include caracteristica termică a componentei rezistorului în sine și a PCB-ului, inclusiv capacitatea sa de a disipa căldura în mediul înconjurător. Rezistența termică de la lipitură la mediul ambiant, R_thSA, depinde în mare măsură de designul plăcii, care are o influență enormă asupra rezistenței termice totale R_thFA (în special pentru valorile extrem de scăzute ale R_thFC specifice componentelor). Rezistența termică de la placă la mediul ambiant, R_thBA, include condițiile de mediu, cum ar fi fluxul de aer. Responsabilitatea pentru alegerea materialelor și a dimensiunilor este atribuită proiectantului circuitului.

Determinarea experimentală a rezistențelor termice

Imagistică termică în infraroșu

Imagistica termică în infraroșu este utilizată pe scară largă pentru experimentele termice. În Figura 6 se prezintă o imagine termică în infraroșu a unui rezistor cip 0603 la o sarcină de 200 mW la temperatura camerei. Se poate observa o temperatură maximă în centrul suprafeței lacului. Temperatura lipiturilor este cu aproximativ 10 K sub temperatura maximă. O temperatură ambiantă diferită va duce la o schimbare a temperaturilor observate.

Determinarea rezistenței termice generale

Rezistențele termice pot fi determinate prin detectarea temperaturii maxime a peliculei ca funcție a puterii disipate în regim staționar. Pentru determinarea rezistenței termice generale R_thFA a unei componente individuale, s-au utilizat PCB-uri de testare standard⁽¹⁾. Componenta a fost măsurată în poziția centrală. Deoarece ecuația (1) poate fi rescrisă astfel

(13)

o aproximare simplă duce direct la rezistența termică R_thFA = 250 K/W pentru un rezistor cip 0603 (Figura 4).

Figura 4: creșterea temperaturii unui rezistor cip MCT 0603 pe un PCB standard de testare ca funcție a puterii disipate. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Nivelul de integrare

Un singur rezistor cip 1206 montat pe PCB (Figura 5A) duce la o rezistență termică generală R_thFA = 157 K/W (Figura 7). Rezistoarele suplimentare de pe PCB (fiecare cu aceeași sarcină, Figurile 5B și C) duc la o creștere accentuată a temperaturii (204 K/W pentru 5 rezistoare și, respectiv, 265 K/W pentru 10 rezistoare).

Figura 5: ilustrație schematică a unui (A), a cinci (B) și a zece (C) rezistoare cip pe un PCB de testare standard. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Toate datele sunt derivate din placa de testare standard. Cu toate acestea, datele pot fi utilizate pentru compararea diferitelor componente și pentru evaluarea generală a capacității de disipare a căldurii pentru un anumit proiect, deși valorile absolute se vor schimba pentru diferite proiecte. De asemenea, datele pot fi utilizate pentru verificarea simulărilor numerice.

Figura 6: ilustrație schematică (A) și imagine termică în infraroșu (B) a unui rezistor cip 0603 la 200 mW (temperatură ambiantă de 23 °C, PCB de testare standard). (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Determinarea rezistenței termice interne a componentei

Înlocuirea PCB-ului cu un corp ideal cu o conductivitate termică ridicată și o capacitate termică care tinde spre infinit (în lumea reală, un bloc de cupru neprocesat este adecvat, Figura 8) duce la

Figura 7: creșterea temperaturii și rezistențele termice RthFA derivate din temperaturile maxime ale peliculei determinate experimental, ca funcție a puterii disipate. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Din nou, rezistența termică internă R_thFC a fost determinată experimental prin detectarea temperaturilor maxime ale peliculei, cu ajutorul imagisticii termice în infraroșu, ca funcție a puterii disipate. PCB-ul standard a fost înlocuit cu două blocuri de cupru izolate electric (60 mm x 60 mm x 10 mm). În Figura 9, valorile rezistenței termice interne R_thFC sunt specificate pentru unele componente pasive, cum ar fi rezistoarele cip, rețelele de rezistoare cip și rezistoarele MELF, după cum se arată în Figura 10.

Drept urmare, rezistența termică scade odată cu lățimea de contact (Tabelul 1). Cel mai bun raport între rezistența termică și dimensiunea cipului este oferit de rezistoarele cu terminale late. Rezistența termică internă a unui rezistor cip cu terminale late 0406 (30 K/W) este aproape aceeași cu rezistența termică a unui rezistor cip 1206 (32 K/W).

Figura 8: ilustrare schematică a traseului principal al fluxului de căldură și a circuitului echivalent de rezistență termică aproximată corespunzător al unui rezistor cip pe un bloc de cupru. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Figura 9: rezistențe termice interne RthFC derivate din temperaturile maxime ale peliculei determinate experimental, ca funcție a puterii disipate. (Sursa imaginii: Vishay Bayschlag)

Figura 10: rezistoare montate pe suprafață, de diferite tipuri și dimensiuni. (Sursa imaginii: Vishay Beyschlag)

Rezistențe termice interne determinate experimental pentru rezistoare montate pe suprafață Dimensiunea componentei rezistorului RthFC [K/W] 0406 30 1206 32 0805 38 0603 63 0402 90 ACAS 0612 20 ACAS 0606 39 MELF 0207 26 MELF 0204 46

Tabelul 1: rezistențe termice interne determinate experimental pentru rezistoare montate pe suprafață.

Concluzii

Proiectarea PCB și condițiile de mediu ale întregului ansamblu determină în principal rezistența termică generală RthFA. După cum s-a demonstrat, un nivel redus de integrare a componentelor de disipare a căldurii duce, de asemenea, la temperaturi mai scăzute ale componentelor individuale. Acest lucru este în contradicție cu tendința actuală de miniaturizare, dar ar putea fi luat în considerare pentru anumite zone parțiale ale plăcii. În afară de modificările aduse proiectării PCB, disiparea căldurii poate fi îmbunătățită semnificativ la nivelul componentelor, prin alegerea unor componente optimizate, cum ar fi rezistoarele cu terminale late (de exemplu, dimensiunea cipului 0406).

Unele considerente de bază sunt utile pentru prevenirea supraîncălzirii în aplicațiile pentru rezistoare montate pe suprafață:

• Disiparea căldurii poate fi descrisă printr-un model de rezistență termică aproximată și analizată prin imagistică termică în infraroșu cu rezoluție spațială și termică suficientă
• Rezistența termică internă specifică componentei R_thFC poate fi determinată experimental.
• Rezistența termică generală R_thFA include caracteristica termică a componentei rezistorului în sine și a PCB-ului, inclusiv capacitatea sa de a disipa căldura în mediul înconjurător. În general, acesta este dominat de influențele externe ale celei din urmă. Responsabilitatea pentru managementul termic, în special în ceea ce privește proiectarea PCB și condițiile de mediu ale aplicației, este atribuită proiectantului circuitului.
• Temperatura maximă este atinsă în centrul suprafeței cu lac care acoperă stratul rezistorului. Trebuie acordată atenție conexiunii de lipire. În mod obișnuit, temperaturile de aproximativ 10 K sub temperatura maximă pot fi asociate cu temperaturi de topire a lipiturii, generarea de faze intermetalice sau delaminarea PCB. Acest lucru trebuie luat în considerare în special la temperaturi ambiante ridicate.
• Alegerea componentelor rezistoarelor stabile din punct de vedere termic, precum și a aliajului de lipit și a materialului de bază pentru PCB, este esențială. Produsele de clasă auto, cum ar fi cipurile cu peliculă subțire și rezistoarele MELF (temperatură maximă de funcționare a peliculei de până la 175 °C) sunt potrivite pentru multe aplicații.
• Performanța termică îmbunătățită pentru disiparea căldurii poate fi obținută prin
  • proiectarea PCB (de exemplu, materialul de bază, plăcile de fixare și traseele de circuit)
  • condițiile de mediu ale întregului ansamblu (transfer de căldură prin convecție)
  • nivelul redus de integrare a componentelor de disipare a căldurii
  • componente optimizate pentru disiparea căldurii (rezistoare cu terminale late)

Notă

1. În conformitate cu EN 140400, 2.3.3: Material de bază FR4 100 mm x 65 mm x 1,4 mm, strat de Cu de 35 μm, placă/traseu circuit de 2,0 mm lățime.