Jump to content

    
Sign in to follow this  
zombi

Отвод тепла на внутренние полигоны

Recommended Posts

On 4/10/2021 at 7:24 PM, Leka said:

Теплоотвод лучше не станет (доли % непринципиальны), а вот решето из других полигонов незачем делать.

Да, именно так, по меди всех земляных полигонов (для этого и делаются переходные ближе к паду в достаточном количестве). Для наружных полигонов надо еще учитывать дополнительную толщину гальванической меди. Я оцениваю сопротивление полигонов в своей программе (ссылку давал,  CalculatoR.zip). 

Не затруднит Вас  напомнить ссылку на CalculatoR.zip.

Share this post


Link to post
Share on other sites

 

Надо бы добавить учет теплового сопротивления портов (чтобы можно было учесть влияние переходных и корпуса чипа), несложно, но не хочется отвлекаться от текущих задач. 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Решил еще погуглить, какие есть бесплатные программы теплового расчета плат, наткнулся на статью:

https://habr.com/ru/post/523164/

Там есть фраза: "Ещё полезное замечание, что значимую роль при теплоотводе играет только металл, непосредственно соединённый с микросхемой" - это неверно, в общем случае. 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Тепломассообмен столь же неисчерпаем, как и атом)

 

Вот термическая модель (см. рис. termal model two polygons and vias в приложении):  два зеркальных (то есть с обеих сторон платы, перекрывающихся) полигона, "прошитые" VIAs.  Источник тепла для рассеивания может находиться с любой стороны платы.

Для конкретности и в продолжение своей линии в теме, взял данные из своего примера, отвод тепла от футпринта SOT89 (см. выше по теме).

 

Плата FR4,  1.5мм;  12 VIAs 0.5/1;  медь полигонов 50 мкм, медь VIAs 25мкм.

Площадь каждого образующего полигон прямоугольника 10х6.75 = 0.675 см. кв.

Площадь hole всех VIAs  9.425 мм кв., то есть, эффективная площадь каждого полигона 0.58 см кв.

Тепловое сопротивление каждой VIA 95.5K/W, делим на 12, тогда (см. модель)        Rvia_cop = 8K/W.

 

*****************************************************************************

Ну и дальше что? Смотрим рисунок с моделью termal model two polygons and vias .

Тепловые сопротивления, отводящие тепло в текстолит платы за счет теплопроводности, Rpl_board и Rvia_board, не знаю как считать, поскольку мне в формуле R = L/(S*λ) непонятно, в данном случае, что понимать под L.

 

*****************************************************************************

С тепловыми сопротивлениями, отводящими тепло в воздух за счет конвекции, тоже не лучше.

 

Часто делал в плате отверстия, не переходные, а чтобы воздух свободно проходил, для конвекции. Есть либо конкретный минимальный диаметр, ниже которого не стоит рассчитывать на конвекцию, либо есть для этого соотношение между диаметром и толщиной платы. Ну вот сейчас напрочь забыл. Гуглил, да не выгуглил). Если кто в курсе, прошу напомнить.

 

Поэтому пока интуитивно) сопротивлением Rvia_air пренебрегаем (d = 0.5мм).

Остается определить сопротивление, отводящее тепло в воздух от полигона               Rpl_air = 1/(S*α).

 

*****************************************************************************

Коэффициент теплоотдачи α для воздуха при расчете конвекции от плат, радиаторов и т. д., это ещё тот конь в мешке.

 Например, Мелешин В. И. (Транзисторная преобразовательная техника, 2005) ориентировочно принимает для воздуха  α = 10W/(m*m*K).  Здесь m - это метр, а K - это градус температуры, в данном случае Кельвин, как более простой символ в наборе текста, чем Цельсий).

 

Пока не забыл. В приложении к этому посту, в текстовых докУментах, мной сделаны закладки (если файл PDF), чтобы легко было можно найти, на что именно я хочу обратить ваше внимание.

 

Но не только Мелешин  так ориентировочно принял), многие товарищи решили к нему присоединиться, и если вступить в их ряды, тогда по формуле, тепловое сопротивление конвекции составит дикую цифру 1000K/W на 1 см кв. поверхности!

На самом деле все знают, что с определением этого важнейшего для расчетов параметра (в каждом конкретном случае) всё гораздо (сильно-сильно!) сложней. Первые под рукой примеры того, попавшиеся, как они в приложении идут, так и посмотрите, не забывая про закладки)

 

Очень близко к моему мнению и прямо по теме топика документ PDF, обозначенный

Осинкина М. Е.  Это сборник, в котором заложена статья

 

РАССЕИВАНИЕ И ОТВОД ТЕПЛА С ПОМОЩЬЮ МЕДНЫХ  ПОЛИГОНОВ В МНОГОСЛОЙНОЙ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ

 

*****************************************************************************

цитата Leka

Нет, для воздушного охлаждения перекрывающиеся площади полигонов не складываются.

 

Вы не могли бы пояснить, почему? Они вычитаются, что ли?

Как я представляю, показано на рисунке termal model two polygons and vias в приложении. Полигоны на слоях платы top и bottom совершенно одинаковые, расположены зеркально друг над другом и "прошиты" VIAs.

 

Последовательная цепь из теплового сопротивления VIAs Rvia_cop = 8K/W и теплового сопротивления  полигона  Rpl_air = 1/(S*α) подключается параллельно тепловому сопротивлению того полигона, на который подается тепло, требующее рассеяния. Все совершенно симметрично.

 

Сопротивление VIAs Rvia_cop = 8K/W явно сильно меньше сопротивления Rpl_air = 1/(S*α), это значит, что площади полигонов можно спокойно суммировать при расчете. Можно найти достаточно докУментов и сослаться на многих авторов, которые думают так же. Даже в темах этого форума и этого раздела.

 

Площадь пластины радиатора считают с обоих сторон. А здесь в чем разница?

 

*****************************************************************************

цитата Leka

Для мелких полигонов считать сложно (много дополнительных факторов),  да и не нужно, просто взять из даташита.

А вот для больших полигонов считать проще, ошибка не будет большой при отбрасывании второстепенных факторов.

Полигон 6[см**2] дает примерно: 500[град/Вт] / 6 = 83 [град/Вт].

Складываем с Rjs = 16[град/Вт] (таблица 7), получаем Rja = 99 [град/Вт].

Сравниваем с точным значением из таблицы 7, Rja = 93 [град/Вт], ошибка небольшая.

 

Даташит о котором речь - BCX54_SOT89 в приложении. Там сказано, что дополнительные полигоны 1 см кв. и 6 см кв. - с одной стороны платы.

 

Тепловое сопротивление конвекции принято иногда считать 1000K/W на 1 см кв. поверхности, что отмечено у меня в этом посте и о чем вы и сами писали:

 

цитата Leka

1 кв.см плата-воздух, 1 сторона -1000град/Вт, 2 стороны - 500град/Вт.

 

Но, тогда почему

 

 цитата Leka

Полигон 6[см**2] дает примерно: 500[град/Вт] / 6 = 83 [град/Вт].

 

Это  ошибка, должно быть  1000/6 = 166.7 K/W, следовательно и дальше...

 

*****************************************************************************

цитата Leka

Советую подумать над пунктами [1] [4] [5] таблицы 7 для корпуса sot1061 - простое добавление дополнительных слоев меди, без переходных (!!!), вдвое уменьшило тепловое сопротивление стандартного футпринта, и еще вдвое - с небольшим (1кв.см) полигоном.

 

Здесь имеются в виду внутренние слои меди.

Да, интуитивно это понять сложно (для меня). Если сказать, что объем меди в(на) плате увеличился... но слои тонкие. Пока у меня только одно предположение.

 

Тепловые сопротивления, проводящие тепло в плате за счет теплопроводности, для моего примера, получаются такие.

 

В направлении, вдоль слоя меди, 1 см шириной на длину 1см, тепловое сопротивление составит             1e-2/((50e-6*1e-2)*400) = 50 K/W.

 

В направлении, вдоль текстолита, 1 см шириной на длину 1см, тепловое сопротивление составит            1e-2/((1,5e-3*1e-2)*0,2) = 3333,3333333 K/W.

 

 

В направлении, по толщине слоя меди, на 1 см кв., тепловое сопротивление составит                                    50e-6/((1e-2*1e-2)*400) = 0,00125 K/W.

 

В направлении, по толщине платы, на 1 см кв., тепловое сопротивление составит                                           1,5e-3/((1e-2*1e-2)*0,2)=75 K/W.

 

Другими словами, от какого-то локального очага на плате, тепло, вдоль текстолита платы крайне хреново распространяется (3333,3333333 K/W на 1 см шириной, на длину 1см) . А вот поперек текстолита сильно лучше, поскольку толщина 1.5 мм.

 

 Поэтому, когда тепло локального источника на поверхности платы, идущее поперек текстолита   (75 K/W, на 1 см кв.) достигает первого внутреннего медного слоя, оно распространяется по нему во все стороны относительно легко (50 K/W, 1 см шириной на длину 1см).

Поперек медного слоя сопротивление вообще ничтожное (0,00125 K/W на 1 см кв.), поэтому медный слой передает практически все полученное тепло следующей прослойке текстолита от всей своей медной площади.

Ну и далее понятно...

...из такого рассуждения видно, насколько важно соединять внешние и внутренние полигоны, предназначенные для отвода тепла, посредством VIAs.

 

К сожалению, в приложении доступный объем всего 5М, поэтому, когда начал прицеплять текстовые докУменты, хватило места только на один из приготовленных семи)

 

Размер шрифта вставленного текста гуляет сам по себе. И не выставляется, как должно, при попытке изменить.

Интервал между словами в строке, после вставки текста, тоже изумляет.

 

Рисунок с моделью планировалось вставить после первой строки текста, как вставилось - видите...

Вес файла Осинкиной 4М - стал 3М.

Пока не понял, где собаки...)

termal model two polygons and vias.png

Осинкина М. Е..pdf

Edited by Michael Michael

Share this post


Link to post
Share on other sites
9 hours ago, Michael Michael said:

Тепловые сопротивления, отводящие тепло в текстолит платы за счет теплопроводности, Rpl_board и Rvia_board, не знаю как считать, поскольку мне в формуле R = L/(S*λ) непонятно, в данном случае, что понимать под L.

Практически через текстолит немного увеличивается площадь охлаждения: по периметру полигона тепло от меди через текстолит передается на узкую кромку поверхности, свободной от меди. Это миллиметры, поэтому практически заметно только на малых полигонах. Есть ли какие приближенные инженерные формулы учета этого - не знаю, не интересовался. 

10 hours ago, Michael Michael said:

 Сопротивление VIAs Rvia_cop = 8K/W явно сильно меньше сопротивления Rpl_air = 1/(S*α), это значит, что площади полигонов можно спокойно суммировать при расчете.

Не только сопротивление переходных сильно меньше сопротивления воздушной конвекции, но и сопротивление текстолита поперек платы:

10 hours ago, Michael Michael said:

тепло локального источника на поверхности платы, идущее поперек текстолита   (75 K/W, на 1 см кв.)

поэтому площади двух сторон платы можно суммировать даже в том случае, если полигон есть только на одной стороне платы, а другая свободна от меди. Иными словами, полигон на одной стороне платы охлаждается с двух сторон, как для медной пластинки в воздухе (без текстолита). Добавление зеркального полигона ничего не меняет (практически). 

10 hours ago, Michael Michael said:

Площадь пластины радиатора считают с обоих сторон.

Здесь то-же самое, независимо от наличия зеркального полигона.

Share this post


Link to post
Share on other sites
10 hours ago, Michael Michael said:

важно соединять внешние и внутренние полигоны, предназначенные для отвода тепла, посредством VIAs

важно только для того, чтобы потом распространять тепло вдоль (а не поперек) платы по меди, тк по текстолиту вдоль (а не поперек) платы тепло распространяется очень плохо.

Если есть сплошной внутренний полигон, наружные полигоны для воздушного охлаждения не нужны - внутренний полигон охлаждается так-же эффективно, как если бы это была медная пластинка без текстолита. 

С точки зрения воздушного охлаждения, любые (и наружные, и внутренние) полигоны важны только для передачи тепла _вдоль_ платы.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Для чего нужны переходные. Рассмотрим теплопередачу вдоль пластинки от внутреннего периметра 4*А до внешнего периметра 4*В. Оценил на промокашке, если не ошибся, тепловое сопротивление в квадратах: R=ln(B/A)/8. "В" надо увеличивать, тк это площадь воздушного охлаждения "В**2". Получается, тепловое сопротивление (в квадратах) пластинки можно уменьшить только за счет увеличения размера "А". Это или радиатор самого чипа, или многослойный футпринт с переходными, позволяющий уменьшить тепловое сопротивление от кристалла к периметру "А".

t.png

Share this post


Link to post
Share on other sites
46 minutes ago, Leka said:

Оценил на промокашке, если не ошибся, тепловое сопротивление в квадратах: R=ln(B/A)/8.

Это очень приблизительно, по порядку величины (ошибка тем больше, чем больше отношение "В/А"). Но помогает понять смысл в переходных поближе к футпринту.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Точно можно для кольца вывести: R=ln(D/d)/2Pi=ln(D/d)/6,28.

Так что для грубой оценки можно взять формулу R=ln(B/A)/7, где B,A - характерные размеры платы и футпринта.  

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this