भारी तांबे थर्मल राहतें: amps और सोल्डर के बीच युद्ध

आप हफ्तों तक लेआउट पर काम करते हैं। स्किमैटिक की पुष्टि हो गई है, अल्टीम में DRC साफ हैं, और पावर प्लेन 3oz तांबे के बड़े स्लैब हैं जो 100 एम्पियर ले जाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। स्क्रीन पर, यह कम-इम्पीरेस मार्गदर्शन का एक उत्कृष्ट कृति लगता है। नेट पूरी तरह से जुड़े हुए हैं, एयरवायरस चले गए हैं, और सिमुलेशन आपके करंट के लिए एक सुंदर, शांत नीला मार्ग दिखाता है।

फिर बोर्ड फेब्रिक से वापस आते हैं, और वे ईंट हैं।

कनेक्टर टूट जाते हैं क्योंकि सोल्डर जॉइंट ठंडे और ग्रेनुलर होते हैं। पावर FET FIELD में फेल हो जाते हैं क्योंकि वे कभी भी पैड पर ठीक से नहीं लगे, जिससे एक उच्च-प्रतिरोध संपर्क बनता है जो गर्म हो जाता है और अंततः Crack हो जाता है। आपने सर्किट डिज़ाइन नहीं किया है। आपने एक हीट सिंक डिज़ाइन किया है जिसने पूरी तरह से रिफ्लो ओवन का थर्मल एनर्जी निगला है।

यह पावर PCB डिज़ाइन का बुनियादी संघर्ष है। जिस तांबे का ज्यामिति भारी करंट को गुजरने के लिए चाहिए, वह अक्सर वही ज्यामिति होती है जो एक विश्वसनीय सोल्डर जॉइंट को रोकती है। भौतिकी आपके नेटलिस्ट कनेक्टिविटी की परवाह नहीं करता। यदि आप सोल्डर को प्रवाह कराने में सक्षम नहीं हैं, तो आपका बोर्ड नहीं है।

ईंट की थर्मोडायनेमिक्स

एक विद्युत इंजीनियर की तरह सोचने बंद करें और हीट फ्लो से निपटने वाले प्लम्बर की तरह सोचें। जब आप किसी कंपोनेंट पैड को सीधे एक बड़े तांबे के प्लेन (विशेष रूप से जो 2oz, 3oz, या उससे भारी हो) पर रखते हैं, तो आप एक छोटे मेल्टेड धातु के तालाब को एक विशाल थर्मल रिजर्वायर से जोड़ रहे हैं।

जब रिफ्लो ओवन या सोल्डरिंग आयरन उस पैड को छूता है, तो यह स्थानीय तापमान को सोल्डर के मेल्टिंग पॉइंट ($217°C) तक बढ़ाने की कोशिश करता है। हालांकि, तांबा एक असाधारण चालक है। वह विशाल ग्राउंड प्लेन एक हाइवे की तरह कार्य करता है, जो थर्मल ऊर्जा को पैड से निकाल रहा है, और हीट स्रोत इससे तेजी से ऊर्जा खींचने की कोशिश कर रहा है। यह ऐसा है जैसे आप एक बाल्टी को फायर होज़ से भरने की कोशिश कर रहे हों, जो नीचे से निकल रहा है। आप अपने सोल्डरिंग आयरन को 450°C तक बढ़ा सकते हैं और एफ़-4 को हानि पहुंचाने का जोखिम उठा सकते हैं, लेकिन यह मायने नहीं रखता। तापमान जॉइंट पर नहीं रह रहा; यह प्लेन में dissipate हो रहा है।

परिणाम एक “कुल्ड जॉइंट” है। सोल्डर कंपोनेंट लीड पर पिघल सकता है, लेकिन यह तभी जम जाता है जब यह तांबे के पैड को छूता है। यह गेंद की तरह बैठ जाता है, सतह पर मार्बरी के गोले की तरह, न कि एक चिकनी फिले पर बहने की तरह। यदि कोई तकनीशियन इसे 45 सेकंड तक होल्ड करके मजबूती से लगाने की कोशिश करता है, तो वे आमतौर पर पैड को डेलैमिनेट कर देते हैं या फ्लक्स को जला देते हैं, इससे पहले कि वेटिंग हो सके। यह अक्सर उन लोगों का दोष होता है जो अपने टूल्स को दोष देते हैं, सोचते हैं कि उन्हें उच्च वॉटेज का आयरन चाहिए। लेकिन यहां तक कि Metcal MX-500 भी भारी hoof टिप के साथ, बिना मदद के 4oz प्लेन का मुकाबला नहीं कर सकता। थर्मल मास हर बार जीतता है।

"डाइरेक्ट कनेक्ट" मिथक

शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स में एक persistent मिथक है कि उच्च-करंट मार्ग अनिवार्य है डायरेक्ट कनेक्ट पॉलिगोन का प्रयोग करें। तर्क उचित प्रतीत होता है: तामे के मार्ग में कोई भी प्रतिबंध प्रतिरोध बढ़ाता है, जो गर्मी बढ़ाता है। इसलिए, गर्मी को कम करने के लिए, हमें तामे के संपर्क को अधिकतम करना चाहिए।

वह तर्क खतरनाक है क्योंकि यह विनिर्माण स्थल को नजरअंदाज करता है। एक डायरेक्ट कनेक्शन जिसमें कोल्ड सॉटर जंक्शन होता है, उससे अधिक संपर्क प्रतिरोध होगा बनाम एक सही ढंग से गीला जंक्शन जो थर्मल रिलीफ स्पोक्स के माध्यम से जुड़ा हो। वह ठंडा जंक्शन एक टाइम बम है। थर्मल साइकिलिंग के दौरान—जैसे मोटर नियंत्रक गरम होकर ठंडा हो रहा हो—कोल्ड सॉटर का ग्रैन्युलर ढांचा टूट सकता है। एक बार टूट जाने पर, प्रतिरोध अचानक बढ़ जाता है, जंक्शन गरम हो जाता है, और अंततः आप एक बड़े दुर्घटना वाले ओपन सर्किट या आग पा सकते हैं।

यह बड़े कनेक्टर तक सीमित नहीं है। वही थर्मल असंतुलन छोटे पासीव्स पर टॉम्बस्टोनिंग का कारण बनता है। यदि आपके पास 0603 कैपेसिटर है जो सिग्नल ट्रेस को ग्राउंड प्लेन से जोड़ता है और आप ग्राउंड साइड पर डायरेक्ट कनेक्ट का उपयोग करते हैं, तो सिग्नल साइड का सॉटर पहले पिघलता है। सतह तनाव के कारण घटक सीधा खड़ा हो जाता है। रीफ्लो ओवन बोर्ड को समान रूप से गर्म करता है, लेकिन बोर्ड नहीं सहमत गर्मी को समान रूप से। जब तक आप RF कार्य नहीं कर रहे हैं जहां इम्पीडेंस का विच्छेदन महत्वपूर्ण है, या पलक को तुरंत वाष्पित कर देने वाले बहुत उच्च पल्स करंट से निपट रहे हैं, पावर प्लेन पर डायरेक्ट कनेक्ट आमतौर पर एक डिज़ाइन दोष है जो अनुकूलन के रूप में भेष में होता है।

समझौते की गणना

थर्मल रिलीफ में प्रवेश करें: ये वेगन-व्हील स्पोक्स हैं जो पैड को प्लेन से जोड़ते हैं। ये एक थर्मल बांध के रूप में कार्य करते हैं, गर्मी के प्रवाह को इतनी सीमा तक सीमित करते हैं कि पैड रिफ्लो विंडो के 60-90 सेकंड के दौरान तापमान तक पहुँच सके।

यहाँ भय का एहसास शुरू होता है। यदि आप स्पोक्स को बहुत पतला बनाते हैं, तो वे फ्यूज़ जैसे हो जाते हैं।

CAD के डिफ़ॉल्ट यहाँ आपको परेशानी में डालेंगे। KiCad या Eagle में मानक नियम अक्सर सिग्नल लेयर्स के लिए अनुकूलित होते हैं, जो 10-मिल स्पोक बनाते हैं जो तुरंत ही भस्म हो जाते हैं जब आप उनमें 20 एम्प्स प्रवाहित करते हैं। आपको वास्तविक लोड के आधार पर स्पोक की चौड़ाई की गणना करनी होगी। यह एक सौदा है: पर्याप्त तामां जो करंट ले सके, लेकिन इतना कम कि गर्मी को रोक सके।

मूल बातें से शुरुआत करें। हर पिन पर करंट निर्धारित करें। यदि कनेक्टर पिन 40 एम्प्स का करंट लेता है, तो यह न मानें कि स्पोक्स को अकेले ही 40 एम्प्स वहन करने चाहिए। आमतौर पर पिन ही बाधा है, लेकिन मान लीजिए कि आपको वह लोड समर्थन करना है। IPC-2152 मानक का उपयोग करके आवश्यक ट्रेस चौड़ाई निर्धारित करें ताकि तापमान में वृद्धि का हिसाब लगाया जा सके। यदि उस करंट को 10°C की वृद्धि के साथ वहन करने के लिए 100 मील की तामा आवश्यकता है और आपके पास चार स्पोक्स हैं, तो प्रत्येक स्पोक की चौड़ाई 25 मील होनी चाहिए।

लेकिन रुकिए। 3 औज़ तामे पर 25-मील का स्पोक अभी भी एक महत्वपूर्ण गर्मी पाइप है। यह मानक रीफ्लो प्रोफ़ाइल के लिए बहुत अधिक थर्मल कुशल हो सकता है। आपको स्पोक की संख्या को दो चौड़े स्पोक्स तक कम करना पड़ सकता है, या स्पोक की लंबाई बढ़ानी पड़ सकती है ताकि एक लंबा थर्मल मार्ग बनाया जा सके। यह एक आवृत्तिपूर्ण प्रक्रिया है। आप स्पोक के फ्यूज़ होने (विद्युत विफलता) के जोखिम को उस जोखिम के खिलाफ संतुलित कर रहे हैं कि जंक्शन कभी भी गीला नहीं होगा (यांत्रिक विफलता)।

यहाँ अनिश्चितता है। IPC मानक रूढ़िवादी हैं, और वास्तविक दुनिया का प्रदर्शन वायु प्रवाह और आपके विशिष्ट सब्सट्रेट की थर्मल कंडक्टिविटी पर निर्भर करता है। लेकिन आप अटकलबाजी करने से बेहतर हैं कि आप सैटर्न PCB टूलकिट के गणित पर भरोसा करें। और जबकि कुछ डिज़ाइनर वियास का उपयोग करके और पैड के चारों ओर सिलाई करके वर्टिकल करंट प्रवाह को बढ़ाने का प्रयास करते हैं, याद रखें कि हर प्लेटेड थ्रू-होल एक अन्य थर्मल एंकर है जो सतह से गर्मी खींच रहा है।

DFM वास्तविकता: तकनीशियन का संघर्ष

इन गणनाओं की उपेक्षा करें और विमान को बाढ़ आ जाय, और आप प्रभावी रूप से असेंबली फ्लोर पर युद्ध की घोषणा कर देते हैं। जब एक बोर्ड जिसमें खराब थर्मल रिलीफ होता है, पुनःकार्य बेंच पर पहुंचता है, तो यह एक दुःस्वप्न बन जाता है।

कल्पना करें कि एक तकनीशियन आपकी बोर्ड पर MOSFET बदलने की कोशिश कर रहा है। वे हीटिंग आयरन लगाते हैं। कुछ नहीं होता। सोल्डर नहीं पिघलता। वे संपर्क क्षेत्र बढ़ाने के लिए टिप में नई सोल्डर डालते हैं। अब यह एक खोखला मिश्रण है। उन्हें गर्म प्लेट पकड़नी होती है, आपका बोर्ड फिक्स करना पड़ता है, और पूरे असेम्बली को 150°C पर प्रीहीट करना पड़ता है—अपने कैपेसिटरों में इलेक्ट्रोलाइट्स को बेक करते हुए—बस इतना ताकि थर्मल डेल्टा कम हो सके कि आयरन गैप को ब्रिज कर सके।

यह थर्मल तनाव FR-4 सामग्री को नष्ट कर देता है और बोर्ड पर हर अन्य घटक के जीवनकाल को कम कर देता है। आप प्रतिरोध में 2 मिलियन्म कर सकते हैं यदि आप डायरेक्ट कनेक्ट का उपयोग करते हैं, लेकिन आप हजारों में पुनःकार्य समय और स्क्रैप असेंबलियों में कंपनी का खर्च बढ़ाते हैं। एक बोर्ड जिसे पुनःकार्य नहीं किया जा सकता, वह एक डिस्पोजेबल बोर्ड है। जब तक आप फेंकने योग्य उपभोक्ता खिलौने नहीं बना रहे हैं, पुनःकार्य योग्यता एक कठोर आवश्यकता है।

ओवन के लिए डिज़ाइन

लक्ष्य सरल है: गर्मी को इस तरह जाल में फंसाओ कि वह वहीं रहे जहाँ इसकी आवश्यकता है, बस इतनी देर तक कि वह इंटरमेटालिक बंधन बना सके जो सोल्डर जॉइन को वास्तविक बनाता है।

सीएडी टूल आपको घुमाने न दो। डिज़ाइन नियमों में जाएं। अपने पावर नेट्स के लिए विशिष्ट वर्ग स्थापित करें। सॉफ़्टवेयर को गणना किए गए थर्मल स्पोक का उपयोग करने के लिए मजबूर करें बजाय कि वैश्विक डिफ़ॉल्ट के। इन्हें सेट करने और सत्यापित करने में लेआउट चरण के दौरान एक अतिरिक्त घंटा लगता है। वह घंटा जब पहले प्रोटोटाइप राणा आता है, तो हफ्तों का समय बचाता है, जब बोर्ड से कनेक्टर गिर रहे होते हैं।

हम अक्सर इलेक्ट्रिकल स्कीमैटिक की खोज में खो जाते हैं, मानते हुए कि अगर इलेक्ट्रॉन का रास्ता है, तो काम पूरा है। लेकिन यदि मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया फेल हो जाती है, तो इलेक्ट्रॉन कभी नहीं बहते। भारी तांबा थर्मोडायनामिक्स के बारे में गंभीर सोच का आवश्यकता है। गर्मी का सम्मान करें, पैड पर प्रवाह को रोकें, और सोल्डर को अपना काम करने दें।