Навигация
Токонесущая способность проводников
69120
знаков
3
таблицы
13
изображений
6.3 Токонесущая способность проводников
Для надежной работы необходимо, чтобы нагрев проводников под действием тока не приводил к физико-химическим изменениям, как в элементах соединений, так и в окружающем их диэлектрике. Сами печатные проводники, благодаря своей плоской форме, хорошо отдают тепло и допускают большие плотности тока без каких-либо для них последствий. Поэтому площади поперечного сечения проводников определяются, в первую очередь, необходимостью обеспечить низкое сопротивление цепей. И если это обеспечено, токонесущая способность проводников будет обеспечена с большим запасом. Чаще всего с ограниченной токонесущей способностью проводников приходится считаться в точках ввода питания в плату, откуда большие токи распределяются по соответствующим цепям. Если этих точек мало, и они не распределены по периметру платы, могут возникнуть локальные температурные перегрузки, вызывающие термодеструкцию диэлектрика. С другой стороны, большие сечения проводников в местах токоподвода затрудняют пайку. Поэтому лучше иметь много маломощных вводов, чем один мощный.
О токонесущей способности проводников чаще приходится говорить при тестировании плат когда для диагностики надежности используют нагрузку тестируемых цепей большими токами.
Чтобы учесть все факторы, влияющие на кинетику нагрева проводников током, представим физическую модель, условно показанную на рис. 2.14.
Условно выделенный элемент проводника с массой т и удельной теплоемкостью с имеет в исходном состоянии при температуре окружающей среды Тв сопротивление го. При прохождении через проводник тока / на сопротивлении го выделяется мощность Р. Температура проводника повышается на Т. Условия теплоотдачи проводника определяется тепловым сопротивлением F. Нагрев проводника вызывает дополнительное увеличение сопротивления, соответствующее температурному коэффициенту сопротивления.
Взаимосвязи термодинамического процесса нагрева проводника можно описать системой уравнений:
мощность, выделяемая на сопротивлении проводника R, зависящим от температуры перегрева T относительно первоначальной температуры окружающей среды; T = T – То – перегрев проводника относительно первоначальной температуры окружающей среды То\ T = Q/c – температура проводника, где
– количество тепла, накапливаемое в элементе проводника;
P = P – Р – разность между выделяемой P и отводимой Р 0) мощностями, обуславливающая изменение температуры элемента проводника T\ Р = T/F – мощность, отводимая от элемента проводника через тепловое сопротивление F.
Уравнение, связывающее выделяемую мощность с накапливаемой в теплоемкости элемента и отводимой через тепловое сопротивление, можно представить следующим образом:
Решение дифференциального уравнения имеет вид:
где Fm – тепловое сопротивление в установившемся режиме; г – постоянная времени термодинамического процесса нагрева, равная
Начальная скорость нарастания температуры
т.е. в начальной стадии нагрев проводника током – процесс адиабатический, не зависящий от характеристик внешней среды, окружающей проводник. Характер дальнейшего развития процесса нагрева зависит от знака корня уравнения р = PRgFa: при р>0 процесс сводится к установившемуся значению, а изменение температуры во времени
при р<0 температура проводника неограниченно растет, пока не будет выключен ток или не перегорит проводник; при р = 0 процесс нагрева характеризуется линейным во времени возрастанием температуры:
Линейный режим является граничным между устойчивым и неустойчивым режимами нагрева. Поэтому он определяет критическое значение тока:
Если ток не ограничивается во времени и превышает значение /, то происходит разрушение соединения. Процесс остывания проводника при 1 = 0 характеризуется постоянной времени
и определяется выражением:
где AT – температура, на которую был нагрет проводник в момент выключения тока.
Тепловое сопротивление Fw теплоемкость тс связаны с геометрией проводника, характеристикой окружающей его среды и характером процесса нагрева проводника. В установившемся процессе нагрева, когда тепловыделение и теплоотдача уравновешиваются, тепловое сопротивление теплоотдачи связано, в основном, с сопротивлением от поверхности платы в окружающую среду, так как тепловое сопротивление диэлектрика в этой теплопередаче составляет доли градуса.
В переходном режиме тепловое сопротивление и теплоемкость меняются во времени. В начальный момент времени, после включения тока, тепловое сопротивление теплоотвода определяется сопротивлением теплопередачи от нагревающегося проводника в область диэлектрика, находящуюся в непосредственной близости от его поверхности. В этот момент нагревается преимущественно тело элемента проводника, т.е. процесс нагрева близок к адиабатическому. С течением времени нагреваются все большие и большие массы материала вокруг проводника, границы теплоотвода отодвигаются, следовательно, меняются значения теплоемкости C = mc и теплового сопротивления F. Стадии нагрева проводника током показаны на рис. 2.16.
Для удобства расчетов максимальной температуры перегрева можно воспользоваться упрощенным соотношением:
где J – плотность тока. А/мм2; В-ширина проводника, мм; / коэффициент теплопередачи, средние значения которого:
• для двусторонних печатных плат и наружных слоев МПП составляет Ш…200 А2/;
• для проводников внутренних слоев МПП – 250…320А2/.
7. Элементы кондуктивного теплоотвода
Вся энергия, подводимая для питания интегральных микросхем, должна быть эффективно выведена из системы, чтобы обеспечить ее работоспособность в течение длительного времени. Отвод тепла от системы является одной из самых трудных задач при разработке конструкций электронных устройств. В большинстве из них для отвода тепла используют огромные по сравнению с размерами микросхем радиаторы, часто снабженные дополнительным вентилятором, а в некоторых применяют гигантские системы с жидкостным охлаждением. Реально существуют даже системы с погружным охлаждением. И чем меньше по объему электронные устройства, тем большие плотности энергии в них сосредотачиваются и тем сложнее вывести это тепло во внешнюю среду, иначе устройство просто сгорит. Поэтому наряду с электрическим конструированием приходится считаться с проблемами теплового конструирования электронной аппаратуры.
Хотя сами по себе печатные платы не являются источником нагрева, компоненты, смонтированные на них нуждаются в отводе тепла. Конечно, если используется воздушное или погружное охлаждение, печатные платы выполняют пассивную роль. От них требуется лишь устойчивость к воздействию внешней среды, которую несет внутрь аппаратуры воздушный поток или среда погружения. Конструкция печатной платы становится активной в теплопередаче, если в нее введены элементы кондуктивного теплоотвода: сквозные технологические отверстия или навесные металлические шины, на которые устанавливаются теплонагруженные компоненты, теплоотводящие слои с выходом на периферию платы с тепловыми клиньями для теплопередачи на корпус устройства. Тогда платы можно физически изолировать от внешней среды и избежать тем самым ее вредного воздействия на надежность печатных узлов или ослабить защиту плат от внешних воздействий.
8. Себестоимость
Себестоимость конечного продукта стала наиболее важным критерием при разработке любых электронных систем. Независимо оттого, что при разработке следует учитывать все функциональные и эксплуатационные требования, все же определяющим критерием для инженера-разработчика должна оставаться себестоимость, и он должен анализировать все возможные компромиссы в целях достижения наилучшего соотношения цена / качество конечного продукта.
Учет требований процессов производства печатных плат и сборки печатных узлов в процессе разработки изделия может обеспечить снижение расходов на сборку на 35%, а себестоимости печатных плат – на 25%.
Структура прямых расходов на производство печатных плат, определяющая их себестоимость, показана в табл. 2.11. Наиболее большие затраты приходятся на базовые материалы и инструмент. Тем более, что здесь приведены данные, связанные с импортом. Использование импортных поставок удорожает печатные платы на 50…60% относительно их себестоимости за рубежом, но создает устойчивость производства и качества, что всегда больше ценится производителем: меньше издержек на брак при изготовлении и сборке, большие гарантии надежности, возможность своевременного выполнения заказа и др.
Обозначения: ДПП – двухсторонние печатные платы, МПП, МПП и МПП – многослойные печатные платы сквозной металлизации 4-, 6 и 8-слойные, МПП – 8-слойные с 4 слоями послойного наращивания.
Из таблицы можно увидеть, что в первых строчках расходов стоят материалы и инструмент. Трудозатраты, энерго- и водообеспече-ние не занимают большой доли в себестоимости плат, что выгодно отличает отечественное производство от зарубежного. В табл. 2.12 показаны сравнительные характеристики этих статей расхода, чтобы видеть, как может позиционироваться Российская электронная индустрия в международном разделении труда. Из анализа этих данных становится очевидной актуальность организации высококачественного отечественного производства полуфабрикатов, инструмента и материалов для производства печатных плат.
Похожие работы
... приводится в графической части. 3. ТРАССИРОВКА МОНТАЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. 3.1 Трассировка с помощью алгоритма Прима На основании полученных ранее данных и требований задания проведем трассировку общего провода цепи питания печатной платы блока оперативной памяти методом Прима. Для этого приведём необходимый участок печатной платы в сетке с шагом 5. Вывод 1 разъёма должен быть соединён с выводами 7 ...
... разработки Учебный план специальности 200800. 1.3 Цель и назначение разработки Целью является проектирование конструкций изделий 1-ого уровня; освоение методики конструирования печатных узлов и печатных плат, методов их компоновки. 1.4 Источник разработки Журнал "Приборы и техника эксперимента".-2001.- №2.-с.146-148 схема электрическая принципиальная устройства регистрации. 1.5. ...
... различают три метода выполнения ПП: - ручной; - полу автоматизированный; - автоматизированный; Предпочтительными являются полу автоматизированный, автоматизированный методы. 2. Процесс изготовления печатной платы В техническом прогрессе ЭВМ играют значительную роль: они значительно облегчают работу человека в различных областях промышленности, инженерных исследованиях, ...
... - Text Style (Текстовый стиль). В этом диалоговом окне установки такие же, как в программе Symbol Editor. 4 РАЗРАБОТАТЬ КОНТАКТНЫЕ ПЛОЩАДКИ Во всех системах автоматизированного проектирования печатных плат информация о графике контактных площадок содержится отдельно от графики корпуса компонента. Это связано с тем, что при изготовлении фотошаблона требуется обеспечить сопряжение программных ...
0 комментариев