Pri návrhu výkonovej elektroniky a vysokofrekvenčných obvodov je dôležité správne zvládnuť odvod tepla. Ak PCB nedokáže efektívne odvádzať teplo, môže dôjsť k prehrievaniu komponentov, čo vedie k ich predčasnému zlyhaniu.

Kalkulačka nižšie umožňuje výpočet tepelného odporu substrátu dosky plošného spoje - PCB, ktorý závisí od použitého materiálu, jeho hrúbky a plochy dosky. Výsledkom je hodnota, ktorá ukazuje, ako dobre dokáže substrát odvádzať teplo.

Základné pojmy

• Tepelná vodivosť materiálu : Tepelná vodivosť (k) je schopnosť materiálu viesť teplo a vyjadruje sa v jednotkách W/m·K (watt na meter na kelvin). Čím vyššia je hodnota, tým lepšie materiál odvádza teplo.
• Hrúbka substrátu : Hrúbka substrátu (d<) sa meria v milimetroch a ovplyvňuje celkový tepelný odpor. Hrubšie substráty majú vyšší odpor voči prenosu tepla.
• Plocha PCB : Plocha dosky plošného spoja (A) sa meria v cm² a zohráva dôležitú úlohu pri rozptyľovaní tepla.

Vzorec pre výpočet tepelného odporu

Tepelný odpor substrátu sa vypočíta podľa vzorca:/p>

$$R_{\theta }=\frac{d}{k\cdot A}$$

Kde:

• R_heta je tepelný odpor substrátu (°C/W
• d je hrúbka substrátu (m)
• k je tepelná vodivosť materiálu (W/m·K)
• A je plocha PCB (m²)

Samozrejme, čím je výsledná hodnota R_heta nižšia, tým lepšie je odvádzanie tepla.

Materiály pre dosky plošných spojov a ich tepelné vlastnosti

• FR4 (0.25 W/m·K) – Najpoužívanejší substrát pre PCB, ale má nízku tepelnú vodivosť, preto je nevhodný pre výkonové obvody.
• CEM-1 a CEM-3 (0.3 W/m·K) – Lacnejšia alternatíva k FR4 s mierne lepšou tepelnou vodivosťou.
• Polyimid (0.12 W/m·K) – Používaný v ohybných PCB, ale má slabé tepelné vlastnosti.
• PTFE (0.2 W/m·K) – Materiál s dobrými elektrickými vlastnosťami, ale horšou tepelnou vodivosťou.
• Al2O3 (24 W/m·K) – Keramický substrát s vynikajúcim rozptylom tepla.
• AlN (170 W/m·K) – Nitrid hlinitý, extrémne dobrá tepelná vodivosť, používa sa v high-power aplikáciách.
• Rogers RO4000 (0.8 W/m·K) – RF materiál s lepšou tepelnou vodivosťou ako FR4.
• FR2 (0.3 W/m·K) – Používa sa v lacných zariadeniach, ale má slabé tepelné vlastnosti.

Faktory ovplyvňujúce tepelný odpor PCB

• Tepelná vodivosť materiálu – Najväčší vplyv na tepelný odpor má samotný materiál substrátu.
• Hrúbka substrátu – Čím hrubší je materiál, tým väčší je tepelný odpor.
• Plocha DPS – Väčšia plocha pomáha odvádzať teplo efektívnejšie.
• Meď na PCB – Vrstvy medi (napr. 1 oz alebo 2 oz) zlepšujú tepelnú vodivosť dosky.
• Tepelné prechody (vias) – Otvory pre tepelné prepojenia medzi vrstvami znižujú tepelný odpor.
• Okolité chladenie – Aktívne chladenie (ventilátory) alebo pasívne chladenie (chladiče) môžu zlepšiť odvod tepla.

Použitie kalkulačky

Na začiatku si pomocou voľby "Vyberte materiál substrátu" z rozbaľovacieho menu zvoľte materiál PCB. Každý materiál má inú tepelnú vodivosť. Ďalším krokom bude voľba hrúbky materiálu kde do poľa "Zadajte hrúbku substrátu" zadáte hrúbku vašej dosky plošného spoja v milimetroch. Následne voľbou "Zadajte plochu PCB" uveďte celkovú plochu dosky v cm². Následne kliknite na tlačidlo "Vypočítať" a zobrazí sa výsledok. Ak chcete zadať nové hodnoty, použite tlačidlo "Reset" a zadajte/zvoľte nové hodnoty a opakujte výpočet.

Táto kalkulačka poskytuje jednoduchý orientačný - nie exaktný spôsob výpočtu tepelného odporu PCB na základe typu substrátu, jeho hrúbky a jeho plochy v cm². Pamätajte, že správny výber materiálu už na začiatku vývoja konštrukcie a efektívny návrh odvodu tepla sú kľúčové pre spoľahlivosť elektronických zariadení. Použitím substrátov s vyššou tepelnou vodivosťou je možné výrazne zlepšiť tepelný manažment PCB.

Ak navrhujete výkonové obvody, RF systémy alebo vysokovýkonné LED aplikácie, výpočet tepelného odporu vám pomôže vybrať vhodný materiál a predísť prípadnému prehrievaniu.