Designul circuitelor PCB, cu componente SMD, ?n aplica?ii de RF ?i nu numai

[gsabac]

Designul circuitelor PCB, cu componente SMD, ?n aplica?ii de RF ?i nu numai

 

Aceast? postare serve?te ca un ghid practic de proiectare ?i construc?ie a aparatelor realizate pe circuite imprimate (PCB), cu componete montate pe suprafa?a circuitului (SMD). Sunt folosite fundamente de putere disipat?, frecven?a de lucru, transfer de c?ldur? ?i se arat? sugestiv, unele rezultate ob?inute in practic?. Aceast? tehnic? se poate folosi pentru o proiectare adecvat?, a anumitor aplica?ii de frecvent? joasa, radio, microunde sau DC.

Caracteristicile termice ale PCB.
FR-4 este unul dintre materialele PCB cel mai frecvent utilizate ?i este un produs laminat din rasin? epoxi, armat? cu fibr? de sticl?. FR-4 are o conductivitate termic? foarte sc?zut?, la o grosime de 1,588 mm este de 0,2 W/mK iar stratul de cupru cu grosimea de 70um, are 398 W/mK  . Figura de mai jos prezint? o geometrie ?n sec?iune transversal? tipic? pentru materialul FR-4  cu dou? straturi.

 

Rezisten?a termic? a unei suprafe?e conductoare termic prin substrat poate fi calculat? cu formula,

 

       Rth = W / (K * A) , unde:

 

  -  Rth este rezisten?a termic? in  gradeC / W;

   -  W este grosimea circuitului PCB (stratului FR4), cu rolul de transfer termic spre o suprafat? mare pe spate, ?i in aer pe fa?a,  ?n metri;

  -  A este suprafata de cupru liber? care radiaz? caldura, in metri p?trati.

  -  K este conductivitatea termic? a materialului stratului, ?n W/mK  ?i este dat? in tabel pentru diverse materiale;

 

    Material                                      grosime uMetri                   Conductivitatea termica K  (W/mK)

 

    SnAgCu aliaj de lipit                                 75                                            58

    Stratul Fata cu cupru                             35, 70                                        398  

    FR4                                                        1588                                           0,2

    Gauri metalizate, umplute cu aliaj (SnAgCu)    1588                                                   58

   Stratul Spate cu cupru                           35, 70                                        398  

   Stratul de mascare (optional)                   25                                             0,2

 

 

Pentru o plac? de 1,6 mm grosime tipic?, cu o suprafa?? de aproximativ 270 mm p?tra?i, rezisten?a termic? a suprafe?ei plane de cupru este de aproximativ 30 ? C / W .

 

       Rth = (1,6*0.001) / (0.2 x 270 *0.000001 ) = 29,629 ? C / W

 

Un mod convenabil pentru ?mbun?t??irea transferului termic pentru FR-4 PCB este ad?ugarea de treceri metalizate (VIAS) termice ?ntre straturile fat? ?i spate, din cupru. Acestea sunt bune conduc?toare termic ?i sunt folosite ?i pentru interconexiuni electrice ?ntre straturi.

 

 

 

Folosind valoarea conductivita?ii termice a aliajului de SnAgCu, care umple trecerile metalizate, la o singur? trecere cu un diametru de 0,6 mm rezult?:

 

         Rth = 1,588 * 0.001 / [58*Pi*(0,5*0,6*0,001)^2] = 96.837 ?C/W,

 

         unde  Pi = 3,1415926

 

S-a ob?inut o valoare mare, cu toate acestea, atunci c?nd se utilizeaz? spatele de cupru sau un radiator mare lipit pe spatele circuitului ?i N VIAS, cre?te zona care race?te cu un factor de N*VIAS, care rezult? ?n relatia:

 

    Rth = W / (Nvias * K * A)

 

Rezisten?a termic? total? pentru un substrat dielectric cu treceri metalizate, se calculeaz? ca ?i cum rezisten?ele termice ar fi ?n paralel:

 

        Rth = [1 / Rth_vias + 1 / Rth_FR4]^(-1), unde caracterul "^" inseamna ridicarea la putere.

 

Folosind valorile din tabel, pentru 270mm p?tra?i ?i 5 treceri pline, cu diametrul de 0,6mm rezult? o rezisten?? termic? de aproximativ 12 ?C/W, fa?? de 30 ?C/W fara treceri metalizate pline, astfel :

 

       Rth = 1 / [5 /96,8+(1/30)] = 11,78 ?C/W

 

Rezisten?a termic? a 5 treceri rezultat? este de circa 28 ?C/W.

 ?n practic? este posibil ca unele treceri sa nu fie umplute cu aliaj de lipit SnAgCu iar altele sa fie umplute par?ial ?i astfel se reduce capacitatea de r?cire. In general diametrele minime acceptate sunt de la 0,25 la 0,3mm ?i practice de circa 0,6mm.

 

Rezisten?a termic? total?, jonc?iune-aer a tranzistorului, este suma algebric? dintre rezisten?a termica Jonctiune-Colector  ?i Colector-Aer, ca dou? rezisten?e conectate ?n serie:

 

           Rth_JA = Rth_JC + Rth_CA, unde Rth_JC este dat? de catalog pentru fiecare tranzistor.

 

Temperatura jonctiunii depinde de temperatura conexiunii colectorului (terminal, pin, tab) astfel:

 

           Rth_JC = (TJ ? TA) / Pdisipata

 

Exemplu : pentru Tcolector = 80 grade : Tranzistorul BFG591 are : Tjmax = 150 grade,  RthJA =35 ?C/W;

 

                 Pdmax = (150 ? 80 )/ 35 = 2W, valoare maxim? pentru acest tranzistor, dat? ?n catalog. De?i la temperaturi ale pinului de colector mai mici de 80 grade rezult? puteri mai mari, fabricantul limiteaz? puterea maxim? la 2W, din considerente tehnologice.

Dac? se dore?te o temperatur? mai joas?,  pentru o functionare ?ndelungat?, de 120 grade, atunci :

                 Pd = (120 ? 80 )/ 35 = 1,14W

C?ldura din terminalul colectorului se disip? prin intermediul radiatorului ?i rezisten?a termic? este :

 

           Rth_CA = (TC ? TA)

 

Exemplu : pentru Tambiant? = 45 grade ?i 1,14W ;

 

               Rth  = (80 ? 45) / 1,14 = 30,7 ?C/W

 

Am calculat mai sus pentru o placa de 1,6 mm grosime, cu o suprafa?? de aproximativ 270 mm p?trati, rezisten?a termic? a suprafe?ei plane de cupru si este de aproximativ 30 ? C / W . Deci radiatorul pentru 1,14W ?n condi?iile date, este o suprafa?? de cupru dreptunghiular?, de circa 16mm pe 17mm, sau de o alta geometrie. Trebuie ?inut cont de pozi?ia de plasare a colectorului c?t mai ?n centrul suprafe?ei de r?cire, care la suprafe?e mari nu este accesibil, de aceea suprafa?a radianta se face putin mai mare.

 

Exemple la scar? pentru SOT223 de circa 97 mm p?tra?i ?i SOT23 de circa 6 mm p?tra?i sunt date ?n figurile de mai jos:

 

 

 

 

 

Padul de r?cire poate fi realizat ?i din traseele de cupru folosite la interconexiuni, elemente capacitive de filtrare sau linii de transmisie microstrip, etc.

 

Modelul de capsula SOT23, de ex. BFR106, 5Ghz, rezisten?a termic? 210 K/W, Tjmax=175 grade, merge la 500mW putere disipata data de catalog. Cu radiator finit se pot obtine usor, puteri disipate de 200mW.

 

 

Modelul de capsula SOT223, de ex. BFG591, 5Ghz, rezisten?a termic? 35 K/W, Tjmax=150 grade, merge la 2W putere disipat? maxim?, pe radiator. Cu radiator finit se pot ob?ine usor, puteri disipate de 1W.

 

 

 

 

 

 

Exemplu de ?ape pentru racirea tranzistorului MGF1302, hemt, 20GHz.

 

 

La ?nalt? frecven?? trecerile multiple spre masa, au ?i rolul de a mic?ora impedan?a emitorului (sursei), astfel se m?reste amplificarea ?i se consolideaza stabilitatea la autooscilatii.

 

Mai jos sunt prezentate c?teva ?ape (paduri) pentru tranzistori SMD, unele cu g?uri pentru treceri.

 

 

?n regim de homemade, trecerile spre mas? sunt realizate cu s?rma de cupru, cu diametrul putin mai mic dec?t gaura. Capetele se fac de circa 2,5mm, se ?ndoaie peste circuit apoi se cositoresc pe ambele fe?e.

 

Rezisten?a termic? a suprafe?ei de cupru pentru componente SMD se poate determina ?i folosind graficele de mai jos, publicate de firma Infineon (Siemens) ?n Application Note No. 077

 

 

Pentru aplica?ii de RF spatele circuitului nu trebuie metalizat ?n dreptul padului de r?cire, datorit? capaci?atii electrice prea mari, de la zecimi la ci?iva pF.

 

 

Pentru r?cire suplimentara se foloseste un radiator suplimentar de cupru, lipit cu aliaj de cositor direct pe colector, ca in poza de mai jos. Suprafa?a sa se calculeaza cu metode conven?ionale iar rezisten?a termic? totala se obtine din punerea ?n paralel a rezisten?elor termice implicate.

 

In foto radiatorii de cupru sunt modela?i pentru capacitate minima. Ei au o zon? mai mic?, de circa 8 mm, care se lipe?te pe circuit imediat ling? terminalul de colector. Pentru un stres termic mai mic se poate folosi un aliaj de cositor eutectic SnPbAg cu 60% cositor, care se tope?te la 180 grade, sau un aliaj pe baza de cadmiu SnPbCd cu temperatura de topire circa 160 grade. Sunt ?i alte aliaje comerciale care se pot folosi.

 

 

 

Montajele au fost realizate pe un substrat de teflon, armat cu fibra de sticl?, prin desenare direct? pe circuit cu ajutorul unui marker Edding de 0,5mm ?i corodat cu clorur? feric?.

 

In bibliografie sunt tratate circuite ?i radiatoare montate ?n curent de aer. Se ob?ine o r?cire for?ata  care mic?oreaza de citeva ori m?rimea termic? a unui radiator, pentru aceea?i putere disipat?. ?n acest caz este necesar? folosirea unui dispozitiv de protec?ie termic?, ?n caz ca ven?ilatia se opre?te.

 

 Modelarea termic? cu programe de simulare, pentru fiecare caz geometric, este deosebit de complicat? ?i este prezentat? ?n bibliografie.

 

 Pentru tranzistorii de RF care sunt monta?i pe radiatori conven?ionali, dar circuitul este SMD, se pot folosi deasemenea rela?ii simple de calcul a transferului termic ?i radiatoarelor.

 

 

Bibliografie:

http://tet.pub.ro/files/studenti/materiale/an_IV/ea2pro/Sursa_cu_tranzistoare.doc

http://www.ti.com/lit/an/snva036a/snva036a.pdf

http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00792a.pdf

http://www.digikey.fr/fr/articles/techzone/2010/dec/optimizing-pcb-thermal-performance-for-cree-xlamp-leds
http://sound.westhos...m/heatsinks.htm

http://www.electronics-cooling.com/2004/05/critical-cooling-issues-in-high-power-radio-frequency-transmitter-amplifiers/

http://www.designworldonline.com/how-to-select-a-suitable-heat-sink/

http://www.engineering.com/calculators/airflow.htm

https://www.rose-hulman.edu/~voltmer/Wireless/Heat_sinks.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_sink

http://www.electronicproducts.com/Power_Products/AC_DC_Power_Supplies/Keeping_your_cool_while_keeping_your_power_supply_cool.aspx

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf  SOT23 power disssipation00792a.pdf

http://electronics.stackexchange.com/questions/53100/sot-223-thermal-pad-and-vias

 

 

 

[donpetru]

Foarte bine ati expus tema dar ar fi necesar, zic eu, si o continuoare pentru ca subiectul sa fie complet. Sa speram ca subiectul nu se va opri aici! 

[gsabac]

Managementul termic devine tot mai important pentru cresterea densita?ii de componente electronice din pl?cile moderne
 cu circuite imprimate (PCB), unde puterea aplicat?, continu? sa creasc?.
Ambii factori duc la temperaturi mai ridicate ale componentelor individuale ?i a ?ntregului ansamblu.
Cu toate acestea, fiecare component? electric? ?ntr-un ansamblu, trebuie s? fie utilizat? ?n cadrul
 limitelor sale prescrise de temperatur? de func?ionare, datorit? proprieta?ilor de material ?i
 datorit? aspectelor de fiabilitate. De exemplu, ?n cazul ?n care temperatura pe jonc?iunea unui
 dispozitiv care func?ioneaz? la 160 grade C, ?n raport cu 130 grade C, costul pl?tit pentru acel dispozitiv,
 este c? rata de defectare va cre?te cu un ordin de m?rime, de 10 ori. Datele exacte ale rezisten?elor termice,
 sunt importante pentru aceste motive.

[gsabac]

Pentru aplica?ii de mic? putere folosi?i o temperatur? ambiant? de 45 grade celsius,
 pentru putere mai mare ?i montaje ?n casete ?nchise, folosi?i chiar 55-60 de grade C la calcule,
 iar pentru auto, folosi?i 80 grade pentru temperatura ambiant?.
Temperatura maxim? a jonc?iunii de 150 grade C, este o valoare comun?, dar sunt ?i componente care merg chiar la 200 grade C,

  este bine s? verifica?i datele de catalog, pentru a fi siguri.

La montarea pe suprafa?? a componentelor(SMD), ?n cazul ?n care PCB din cupru, este folosit ca un radiator, pentru 300 g/metru-p?trat(35um) de cupru, disiparea c?ldurii se apropie asimptotic la circa 650 mm p?tra?i (25mm x 26mm), cu alte cuvinte, cu un radiator PCB mai mare de 650 mm p?tra?i nu faci o r?cire mai bun?. Exist? c?teva trucuri care pot ajuta, cum ar fi plasarea VIAS, ?n suprafa?a de r?cire, pentru transferul c?ldurii la straturile de jos. Este, de asemenea, posibil s? se utilizeze ?i radiatoare de c?ldura montate pe suprafa??, ca in pozele ata?ate, sau current de aer rapid.
 

Pentru aplicatii de RF ?i chiar AF sau DC, un rol important ?n fiabilitate ?l are asigurarea unei rezerve de putere maxim?, de tensiune maxim? ?i curent maxim, deoarece ?n regim dynamic sau autooscilatii rapide pe fronturi, etc, micro-volumele interne ale jonc?iunilor componentelor active se supra?nc?lzesc sau chiar se topesc ?i astfel componentele se degradeaz? lent, p?n? la distrugere. ?i o protectie lent? in compara?ie cu avalan?a de curent are un efect salvator doar de scurt? durat?. Un fost coleg de-al meu, folosea pentru protec?ia circuitelor experimentale, dispozitive speciale, cu tranzistori de comuta?ie super rapizi (4nS -10nS) ?i de curent mare, ?n satura?ie ?i cu condensator de ie?ire mic, de 100nF. Proteja astfel chiar ?i tranzistorii de RF.

?n general, pentru aparate fiabile, se dimensioneaza radiatoarele pentru regimul de putere maxim sinusoidal, sau maxim de impulsuri ?i nu pentru regimuri medii de putere muzical?, de exemplu.
O supradimensionare este necesar? ?i pentru a acoperi eventuale cre?teri ale rezisten?elor termice, datorate degrad?rii pastelor termice, a acoperirii cu praf, a deformarii pieselor izolatoare din plastic ?i nu ?n ultimul r?nd al sl?birii ?uruburilor de str?ngere.

 

Succes!

[gsabac]

Un rol important ?n proiectarea unui circuit ?n tehnologia SMD, ?l are o dimensionare corect? a grosimii pistelor de circuit,

?n func?ie de curentul electric ce trece prin ele. Atunci c?nd se lucreaz? cu tensiuni  mari,

trebuie s? avem siguran?a function?rii, f?r? str?pungeri sau desc?rc?ri accidentale,

?n condi?ii defavorabile de mediu sau de infestare a circuitului.

 M?suratorile au fost f?cute ?n decursul timpului, cu diverse materiale ?i conditii ?i s-au elaborat metodologii ?i normative,

pe care este bine s? le aplic?m in proiectarea circuitelor PCB.

 

Metode propuse de  IPC- Association Connecting Electronics Industries, IPC-2221 de calcul standard  generic a circuitelor PCB.

 

Calculul curen?ilor ?i grosimea pistelor de circuit SMD.

Relatiile de calcul originale, sunt  ?n poza urm?toare.

 

 

 

?n, Gelectronic  Synthesis, am aplicat aceste rela?ii. ?n datele de intrare, lungimea conductorului ?i grosimea cuprului sunt ?n mm,

iar curentul ?n amperi. ?n, TextBox-ul,  Temperature Rise, se introduce supracre?terea  de temperatur? pe care o accepta?i pentru pista SMD.

  Rezultatele sunt afi?ate la comanda, Calculate.  ?n exemplul calculat, pentru 1A se poate folosi o pista cu grosimea minim?

 de 0,3 mm, pe suprafa?a pl?cii de circuit ?i la 40 mm lungime apare o c?dere de tensiune de 64 mV.

 

Dac? mai multe pistele str?batute de curen?i mari, sunt apropiate, se va m?ri l??imea pistelor. Pute?i tasta ?n Google,  IPC-2221 ?i urm?ri toat? metodologia de proiectare.

 

Un rol important ?l are dimensionarea  distan?elor dintre piste, ?n func?ie de tensiunea electric? diferential?, dintre ele.

Metodologia IPC-2221 recomand? ?i utilizarea urm?torului tabel.

 

 

 

Se remarc? pentru 220V alternativ (max 245V), deci  347V tensiune de virf  , un spa?iu minim de 2,5mm,

pentru v?rfuri de supratensiune de max 500V ?i calculat, 5 mm pentru virfuri de 1000V.

Cifrele sunt pentru suprafe?e uscate, curate, neprotejate, far? prezen?a v?rfurilor sau proieminen?elor ascu?ite pe piste.

Un circuit f?r? resturi de materiale decapante, flux, paste, va func?iona un timp ?ndelungat f?ra degradarea rezisten?elor

de izola?ie, mai ales la circuitele CMOS, opera?ionale cu impedan?e mari de intrare, etc.

?n prospectele firmei Philips, se specific? expres aceasta stare a circuitului, pentru m?surarea parametrilor tranzistorilor ?i circuitelor.

 

Am ?i eu un exemplu ?n acest sens. Am construit un multimetru care m?sur? ?i rezis?en?e de 100 Mohmi,

Dup? 3 ani, ?n micro fisurile ap?rute ?n sac?zul necur??at, a ap?rut o rezisten?? de circa 30 Mohmi,

care  determina m?sur?tori eronate. Cur??area sac?zului a rezolvat problema, dar nu ?i ?ncrederea ?n aparat.

 

Succes!