Hőszabályozás felületszerelt ellenállásokat tartalmazó kialakításokban

A hőszabályozás egyre fontosabbá válik, mivel a modern nyomtatott áramköri lapok (NyÁK-ok) elektronikus alkatrészeinek sűrűsége, valamint az alkalmazott áram erőssége is folyamatosan növekszik. Ezen mindkét tényező miatt az egyes alkatrészek és a teljes összeállítás hőmérséklete is egyre magasabb. Az összeállítás minden elektromos alkatrészét azonban az anyagok tulajdonsági és megbízhatósági szempontjai miatt az előírt üzemi hőmérsékleti határértékeken belül kell tartani. Ez a cikk kísérleti eredményeket tartalmaz, amelyek ismeretében az elektronikus eszközök, például a felületszerelt ellenállások túlmelegedése megelőzhető.

Elektromos veszteség és hőátadás

Az ellenállásban az elektromos veszteség (Joule-effektus) révén hő távozik, ami hőmérséklet-emelkedést eredményez. Amint hőmérséklet-gradiens alakul ki, a hő áramlásba kezd. Egy bizonyos idő elteltével (az eszköz hőkapacitásától és hővezetési tulajdonságaitól függően) beáll az állandósult állapot. A P_H állandó hőáramlási sebesség azonos a P_el elvesztett elektromos teljesítménnyel (1. ábra).

Mivel a testeken keresztül történő hővezetés természete hasonló az elektromos vezetés Ohm-törvényéhez, az egyenlet átírható (lásd „A hőátvitel alapjai” című részt ebben a cikkben):

(1)

ahol

(2)

a hőellenállás [K/W], amely az elektronikai alkalmazásokban használt és előforduló legtöbb anyag és hőmérsékleti tartomány esetében hőmérsékletfüggetlennek tekinthető.

1. ábra: Egy nyomtatott áramköri lapon lévő felületszerelt ellenállás fő hőáramlási útvonalának sematikus ábrázolása. (Kép: Vishay Beyschlag)

Hőellenállás

A hőellenállás közelítő modellje

Az elektronikus eszközöknél, például a NyÁK-on lévő felületszerelt ellenállásoknál a hőátadás a hőellenállás közelítő modelljével írható le. Itt elhanyagoljuk az ellenállás fóliájából a környező levegőbe (a környezetbe) a lakkbevonaton keresztül történő vezetés és szabad levegős konvekció útján történő közvetlen hőátvitelt. Így a hő az alumínium-oxid szubsztrátumon, a chip fémes érintkezőjén, a forrasztási kötésen és végül a lapon (FR4, beleértve a rézburkolatot is) keresztül terjed. A NyÁK-ból származó hő természetes konvekció útján kerül át a környező levegőbe (2. ábra).

Az egyszerűsítés kedvéért az összesített hőellenállás (RthFA) leírható sorba kapcsolt hőellenállásokként, megkülönböztetve a határfelületek megfelelő hőmérsékleteit az alábbiak szerint:

(3)

A hőellenállásokból álló egyenértékű áramkört a 2. ábra mutatja, ahol:

R_thFC az ellenálláskomponens belső hőellenállása, beleértve az ellenállási réteget, a szubsztrátot és az alsó érintkezőt;

R_thCS a forrasztási kötés hőellenállása;

R_thSB a NyÁK hőellenállása, beleértve a kontaktusokat (pad), az áramköri útvonalakat és az alapanyagot;

R_thBA a nyomtatott áramköri lap felületéről a környezet (a környező levegő) felé történő hőátadási ellenállás; és

R_thFA pedig az összesített hőellenállás az ellenállás vékonyrétegétől kezdve a környezetig (a környező levegőig).

A termikus ellenállás egyenértékű áramkörében a csomópontokra megadott hőmérsékletek a megfelelő határfelületekre érvényesek:

ϑ_Film a maximális vékonyréteg-hőmérséklet a forró zónában;

ϑ_Contact a hőmérséklet az alsó érintkező és a forrasztási kötés közötti határfelületen (minimális méretű forrasztási kötések esetén érvényes, ellenkező esetben bizonyos párhuzamos hőellenállások léphetnek fel);

ϑ_Solder a hőmérséklet a forrasztási kötés és a kontaktusfelület (a NyÁK rézburkolata) közötti határfelületen;

ϑ_Board a NyÁK felületének hőmérséklete; és

ϑ_Ambient a környező levegő hőmérséklete.

2. ábra: Egy nyomtatott áramköri lapon lévő felületszerelt ellenállás közelítő hőellenállásával egyenértékű áramköri rajz. (Kép: Vishay Beyschlag)

A hőátvitel alapjai

A hőenergia átadása három alapvető mechanizmussal történhet: vezetés, konvekció és sugárzás.

(4)

Vezetés

A hővezetés hőáramlási sebessége az egydimenziós dϑ/dx gradienssel arányos, ahol a λ [W/mK] a fajlagos hővezető képesség, az A pedig a hőáram keresztmetszeti területe:

(5)

amelynek mértékegysége [W]. Egy L hosszúságú, ϑ₁ és ϑ₂ két különböző hőmérsékletű, párhuzamos A határfelületű egyszerű kocka alakú test esetén a hőátadás egyenlete a következő:

(6)

Konvekció

A konvekciós hőáram a (6) egyenlethez hasonlóan írható le,

(7)

ahol α a konvekciós együttható, A a tárgy ϑ₁ hőmérsékletű felülete, és ϑ₂ a környező fluidum (pl. levegő) hőmérséklete. Az α együttható magába foglalja a folyadék anyagi tulajdonságait (hőkapacitás és viszkozitás) és a fluidum mozgási jellemzőit (áramlási sebesség, természetes vagy mesterséges konvekció és geometriai formák). Ezenkívül függ a ϑ₁ - ϑ₂ hőmérsékletkülönbségtől is. A (7) egyenlet tehát egyszerűnek tűnik, de a hőátadási problémák megoldásához az α együttható esetében szinte mindig közelítő értéket kell használni vagy pedig azt kísérleti úton kell meghatározni.

Sugárzás

A hősugárzást a Stefan-Boltzmann-törvénnyel (8. egyenlet) lehet leírni, aminek az eredménye két különböző hőmérsékletű ϑ₁ és ϑ₂ objektum közötti nettó áramlás (9. egyenlet), azonos sugárzási képességet és felületet feltételezve. A lenti egyenletekben

(8)

(9)

ε a sugárzási tényező, σ= 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4 a Stefan-Boltzmann-állandó, és ϑ az A felület hőmérséklete. Mindazonáltal az (5) egyenlet szerinti sugárzás útján történő hőátadást itt nem vesszük figyelembe, mivel alacsony hőmérsékleteken annak jelentősége kicsi. Általában a teljes hőmennyiség több mint 90%-a hőelvezetéssel távozik. Az infravörös hőkamerás képalkotás esetében azonban a (9) egyenlet az, amelyik fontos.

Analógia az elektromos ellenállás és a hőellenállás között

Az R elektromos ellenálláson átfolyó I elektromos áram arányos az U₁ és U₂ elektromos potenciálok különbségével:

3a. ábra: Egy elektromos ellenálláson átfolyó elektromos áram arányos az U₁ és U₂ elektromos potenciálok különbségével. (Kép: Vishay Beyschlag)

Az R_th hőellenálláson áthaladó P hőáram arányos a ϑ₁ és ϑ₂ hőmérsékletkülönbséggel:

3b. ábra: Egy hőellenálláson áthaladó hőáram arányos a ϑ₁ és ϑ₂ hőmérsékletek különbségével. (Kép: Vishay Beyschlag)

Az elektromos ellenállásokhoz hasonlóan egy összeállításban lévő több tárgy egyenértékű hőellenállása leírható sorba vagy parhuzamosan kapcsolt hőellenállások hálózataként, ahogyan azt két hőellenállás esetén az alábbi egyenletek mutatják:

(10)

(11)

Belső hőellenállás

Az R_thFC belső hőellenállás egy alkatrészspecifikus érték, amely elsősorban a kerámia hordozóanyagtól függ (fajlagos hővezető képesség és geometria).

Forrasztási kötés hőellenállása

Hagyományos forrasztás esetén az R_thCS hőellenállás elhanyagolható a forraszanyag viszonylag magas fajlagos hővezető képessége és a keresztmetszeti felület és az áramlási útvonal hosszának nagy aránya miatt (kb. 1 K/W). Ez különösen érvényes kisebb távolságok esetén. Egy nagyobb forrasztási kötés tekinthető az alsó érintkező és egy további párhuzamos hőellenállás (az oldalsó érintkezőtől a NyÁK-on lévő kontaktusfelületig) közötti hőellenállásként, ami minimálisan javítja a hővezetést. Így az alkatrész összesített hőellenállása, beleértve a forrasztási kötést is közelítő értékkel megkapható az alábbiak szerint:

(12)

Tekintetbe kell venni, hogy helytelen forrasztás esetén az R_thCS hőellenállás magasabb összesített hőellenállást okoz. Különösen a forraszanyagban lévő üregek vagy a forraszanyag elégtelen nedvesedése okozhat jelentős érintkezési hőellenállást vagy pedig emiatt csökkenhet az áramlási utak keresztmetszeti területe, és ez degradált hőtechnikai jellemzőhöz vezet.

Alkalmazásspecifikus hőellenállások

Az összesített hőellenállás R_thFA magában foglalja magának az ellenállás-alkatrésznek és a NyÁK-nak a termikus jellemzőit, beleértve annak a környezet felé történő hőleadási képességét is. A forrasztás és a környezet közötti hőellenállás, R_thSA, erősen függ az áramköri lap kialakításától, ami óriási hatással van az összesített hőellenállásra, az R_thFA-ra (különösen rendkívül alacsony alkatrész-specifikus R_thFC értékek esetén). Az áramköri lap és a környezet közötti hőellenállás, R_thBA, magában foglalja a környezeti feltételeket, például a légáramlást. Az anyagok és méretek kiválasztásáért az áramkör tervezője felel.

A termikus ellenállások kísérleti meghatározása

Infravörös hőkamera használata

Az infravörös hőkamerák által szolgáltatott képeket széles körben használják hőkísérletekhez. A 6. ábrán egy 0603-as felületszerelt ellenállás infravörös hőképe látható 200 mW terheléssel, szobahőmérsékleten. A maximális hőmérséklet a lakkfelület közepén figyelhető meg. A forrasztási kötések hőmérséklete körülbelül 10 K-nel kisebb a maximális hőmérsékletnél. Ettől eltérő környezeti hőmérséklet esetén ezen megfigyelt hőmérsékletek is módosulnak.

Az összesített hőellenállás meghatározása

A termikus ellenállások meghatározhatók a maximális fóliahőmérséklet érzékelésével, amely a disszipált teljesítmény függvénye, állandósult állapotban. Az egyes alkatrészek összesített hőellenállásának (R_thFA) meghatározásához szabványos teszt NyÁK-okat⁽¹⁾ használtak. A középső pozícióban lévő komponenst mérték. Mivel az (1) egyenlet átírható a következőre:

(13)

így egy egyszerű közelítés közvetlenül az R_thFA = 250 K/W hőellenálláshoz vezet egy 0603-as chip ellenállás esetén (4. ábra).

4. ábra: Egy MCT 0603 felületszerelt ellenállás hőmérséklet-emelkedése egy szabványos teszt NyÁK-on a disszipált teljesítmény függvényében. (Kép: Vishay Beyschlag)

Integrációs szint

A NYÁK-ra szerelt egyetlen 1206-os felületszerelt ellenállás esetén (5A. ábra) az összesített hőellenállás R_thFA = 157 K/W (7. ábra). További ellenállások a NyÁK-on (azonos terheléssel, 5B és 5C ábra) fokozott hőmérséklet-emelkedéshez vezetnek (5 ellenállás esetén 204 K/W, illetve 10 ellenállás esetén 265 K/W).

5. ábra: Egy szabványos vizsgálati NyÁK-ra szerelt egy (A), öt (B) és tíz (C) felületszerelt ellenállás sematikus ábrázolása. (Kép: Vishay Beyschlag)

Minden adat a szabványos tesztlapról származik. Az adatok azonban alkalmasak a különböző alkatrészek összehasonlítására és egy adott konstrukció hőleadó képességének általános értékelésére, bár az abszolút értékek a különböző konstrukciók esetében változnak. Az adatok a numerikus szimulációk ellenőrzésére is alkalmasak.

6. ábra: Egy 0603-as felületszerelt ellenállás sematikus ábrázolása (A) és infravörös hőképe (B) 200 mW-os teljesítményen (23°C környezeti hőmérsékleten, szabványos teszt NyÁK használatával). (Kép: Vishay Beyschlag)

Az alkatrész belső hőellenállásának meghatározása

Ha a nyomtatott áramköri lapot egy nagy hővezető képességű és végtelen felé tartó hőkapacitású ideális testtel helyettesítjük (a valóságban ez megfelel egy rézből készült tömbnek, 8. ábra), akkor a következő eredményeket kapjuk:

7. ábra: A hőmérséklet-emelkedés és a kísérletileg meghatározott maximális fóliahőmérsékletekből származtatott RthFA hőellenállások a disszipált teljesítmény függvényében. (Kép: Vishay Beyschlag)

Az R_thFC belső hőellenállást ismét kísérletileg határozták meg a fólia maximális hőmérsékletének infravörös hőkamerával történő mérése alapján a disszipált teljesítmény függvényében. A szabványos nyomtatott áramköri lapot két elektromosan szigetelt (60 mm x 60 mm x 10 mm méretű) rézblokkal helyettesítették. A 9. ábrán az R_thFC belső hőellenállás értékei vannak megadva néhány passzív alkatrészre, például a felületszerelt ellenállásokra, felületszerelt ellenállás-tömbökre és MELF ellenállásokra, amint az a 10. ábrán látható.

Látható, hogy a hőellenállás az érintkezési szélességtől függően csökken (1. táblázat). A hőellenállás és a chipméret közötti legjobb arány a széles kontaktusokkal rendelkező ellenállások esetén valósul meg. Egy 0406-os széles kontaktusokkal rendelkező felületszerelt ellenállás belső hőellenállása (30 K/W) közel azonos egy 1206-os felületszerelt ellenállás hőellenállásával (32 K/W).

8. ábra: A fő hőáramlási útvonal sematikus ábrázolása és a közelítő hőellenállásnak megfelelő áramkör egy réztömbre szerelt felületszerelt ellenállás esetén. (Kép: Vishay Beyschlag)

9. ábra: A kísérletileg meghatározott maximális fóliahőmérsékletekből származtatott RthFC belső hőellenállások a disszipált teljesítmény függvényében. (Kép: Vishay Beyschlag)

10. ábra: Különböző típusú és méretű felületszerelt ellenállások. (Kép: Vishay Beyschlag)

Felületszerelt ellenállások kísérletileg meghatározott belső hőellenállás-értékei Ellenállás mérete 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

1. táblázat: Felületszerelt ellenállások kísérletileg meghatározott belső hőellenállás-értékei.

Következtetések

Az RthFA összesített hőellenállást elsősorban a NyÁK kialakítása és a teljes összeállításon uralkodó környezeti feltételek határozzák meg. Amint azt bemutattuk, a hőelvezető alkatrészek csökkentett integrációs szintjével az egyes alkatrészek hőmérséklete is alacsonyabb lesz. Ez ellentmond napjaink miniatürizálási trendjének, de alkalmazása az áramköri lapok bizonyos részein megfontolandó. A nyomtatott áramköri lap kialakításának megváltoztatásán kívül a hőelvezetés jelentősen javítható az alkatrészek szintjén is optimalizált alkatrészek, például a széles kontaktusokkal rendelkező ellenállások (pl. 0406-os chipméret) használatával.

Felületszerelt ellenállások alkalmazásakor hasznos néhány alapvető dologra ügyelni azok túlmelegedésének megelőzése érdekében:

• A hőelvezetés leírható egy közelítő hőellenállási modellel, és megfelelő térbeli és termikus felbontású infravörös hőkamerás méréssel kapott képek segítségével kielemezhető.
• Az alkatrészspecifikus belső hőellenállás R_thFC kísérletileg meghatározható.
• Az összesített hőellenállás R_thFA magában foglalja magának az ellenállás-alkatrésznek és a NyÁK-nak a termikus jellemzőit, beleértve annak a környezet felé történő hőleadási képességét is. Általában az utóbbi külső hatások dominálnak. A hőszabályozást az áramköri tervezőnek kell megoldania, különösen a nyomtatott áramköri lap kialakítása és az alkalmazás környezeti feltételei tekintetében.
• A hőmérséklet maximális értékét az ellenállásréteget borító lakkfelület közepén éri el. Figyelmet kell fordítani a forrasztási kötésekre. Jellemző, hogy a maximális hőmérsékletnél körülbelül 10 K-nel alacsonyabb hőmérséklet esetén a forraszanyag már elérheti az olvadási hőmérsékletét, intermetallikus fázisok keletkezhetnek vagy pedig a NYÁK rétegei szétválhatnak. Ezeket különösen magas környezeti hőmérsékleteken kell figyelembe venni.
• Alapvető fontosságú hőmérséklet-stabil ellenállás-alkatrészeket, valamint ugyanilyen tulajdonságú forraszanyagot és NyÁK-alapanyagot választani. Az autóipari minőségű termékek, mint például a vékonyréteg és a MELF ellenállások (akár 175 °C maximális üzemi fóliahőmérséklet) számos alkalmazáshoz alkalmasak.
• A hőelvezetést szolgáló fokozott hőtechnikai működés a következőkkel érhető el:
  • a nyomtatott áramköri lap kialakítása (pl. alapanyag, kontaktusfelületek és áramköri útvonalak);
  • a teljes összeállítás környezeti feltételei (konvekciós hőátadás);
  • csökkentett integrációs szint a hőelvezető alkatrészek esetében;
  • hőelvezetésre optimalizált alkatrészek (széles kontaktusokkal rendelkező ellenállások)

Megjegyzés

1. Az EN 140400 szabvány 2.3.3. pontja szerint: FR4 alapanyag 100 mm x 65 mm x 1,4 mm, 35 μm Cu-réteg, 2,0 mm széles kontaktusfelület/áramút.