Erwärmung der Leiterplatte in kalter Umgebung nur mit SMD-Bauteilen

Ich habe eine Sensorplatine gemacht, die bei etwa -55 Grad Celsius betrieben werden muss. Leider versagt seine Schlüsselkomponente oft, wenn die Schaltung tagelang auf die Temperatur abgekühlt und dann hochgefahren wird. Der Sensor beginnt normal zu arbeiten, nachdem er seit der Einschaltzeit mehrere Minuten lang (nicht ordnungsgemäß) gelaufen ist. Daher möchte ich die Platine aufwärmen und dann den Sensor einschalten.

Es gibt Umgebungsbedingungen, die es sehr schwierig machen, eine einfache Lösung zu verwenden. Eine externe Heizung kann nicht verwendet werden, da ich nicht mehr Platz habe als den Platz für die Platine selbst (3cm x 3cm x 5mm). Es scheint, dass der einzig praktikable Ansatz darin besteht, die Platine zu erwärmen, indem mehrere SMD-Komponenten zur PCB-Schaltung hinzugefügt werden, z. B. ein linearer Spannungsregler und Widerstände. Die max. Die Stromversorgung ist auf 0,5 W begrenzt, aber der Sensor-IC verbraucht bereits bis zu 0,3 W. Somit können der Sensor und die Heizung nicht gleichzeitig laufen. Möglicherweise muss ich zuerst die Platine erwärmen und den Sensor einschalten. Die zulässige Zeit für das Aufheizen beträgt bis zu 30 s.

Könnten Sie bitte effiziente Lösungen für das Problem vorschlagen? Ich frage mich, ob es eine bessere Lösung gibt, als einen Linearregler mit einem Kühlkörper und 2 bis 4 Widerständen der Größe 0603 (1608) um ​​den Sensor-IC herum zu platzieren. Die Platine hat übrigens 4 Lagen (oben/Power/GND/unten) und der Kupferanteil beträgt 1oz.

wie wird das gerät mit strom versorgt? Können Sie 0,5 W kontinuierlich ziehen? Wenn ja, warum nicht einige Heizwiderstände haben, die mit Strom versorgt werden, bis die Zeit gekommen ist, Ihren Sensor zu verwenden?
Ich habe dies für einen FM-Datenempfänger getan, der während bodengestützter Tests auf einer kalten Flugzeuglandebahn in Kanada saß.
@dmb Ja, ich kann kontinuierlich 0,5 W liefern. Sind die "Heizwiderstände" die üblichen SMD-Widerstände?
@Andyaka Das ist großartig. Könnten Sie bitte Ihre Erfahrungen teilen und kommentieren, worauf man achten muss?
Es gibt nicht viel zu sagen, außer dass Sie so viel Leistung wie möglich verwenden und die Erwärmung der Leiterplatte beenden, wenn sie über (sagen wir) -20 ° C liegt (oder welche untere Grenze Sie auch immer wählen).
@Nownuri Es gibt keine speziellen Heizwiderstände, nur normale SMD-Widerstände. Wenn es sich nicht um eine Leiterplatte mit Aluminiumkern handelt, verwenden Sie mehrere kleine und verteilen Sie die Wärme dort, wo sie benötigt wird, vorzugsweise über eine Erdungs- und/oder Versorgungsebene auf der Leiterplatte.
@Andyaka Danke!
@winny Danke für den Kommentar! Genau das hatte ich vor. Ich bin froh, dass es keine Bedenken hervorruft.
Können Sie eine Schicht für einen PCB-Leiterbahnwiderstand opfern?
@ Jeroen3 Leider nicht, ich könnte Ebenen hinzufügen, wenn dies die Kosten nicht stark erhöht.
Um die Aufheizzeit zu minimieren, versuchen Sie, die Kupferfläche des Schaltkreises zu reduzieren, insbesondere überschüssiges Kupfer, das den Sensorkörper oder die Stifte berührt. Halten Sie die Heizkomponenten nach Möglichkeit in der Nähe oder in Kontakt mit dem Sensor oder seinen Stiften. Minimieren Sie offene Luft und jeden möglichen Luftstrom um den Sensor und die Heizkomponenten.
Das Testboard fällt also kalt aus, aber Sie möchten den Sensor kalt testen. Hmm, das Design korrigieren? Offset-Spannungsfehler? Hmm . Fügen Sie der Sensorheizung einen Verzögerungsschalter hinzu? und fügen Sie 100-mW-Heizungs-SMDs auf FPC-Streifen hinzu, um die ICs aufzuheizen, schalten Sie dann die Halbbrückenheizung aus und schalten Sie den Sensor ein
Denken Sie daran, dass eine konstante Erwärmung die Kosten für die Kühlung erhöhen kann (ich gehe davon aus, dass der Sensor in einer künstlich gekühlten Umgebung funktioniert). Wenn die zusätzliche Wärmequelle kein Problem darstellt, entscheiden Sie sich für die vorgestellte Lösung. Andernfalls möchten Sie vielleicht die Heizelemente nur einschalten, wenn der Sensor benötigt wird.
Erwägen Sie, die Archive der Nasa Tech Briefs nach weltraumgestützten Systemen mit ähnlichen Sensoren zu durchsuchen. Wenn sie ähnliche Sensoren verwendet haben, haben sie wahrscheinlich eine Lösung für die Verwendung bei extrem niedrigen Temperaturen.
Berücksichtigen Sie auch die Wärmeausdehnungseigenschaften ( 1.4 ⋅ 10 − 5 K − 1 ) dieser Erwärmungszyklen und wie sie die oberflächenmontierten Komponenten belasten.
Es hört sich nicht so an, als würde Überhitzung hier jemals ein Problem sein - warum nicht einfach Leistungswiderstände im Wert von 0,2 W einbauen, die immer wegbrennen, und sehen, ob das Ihr Problem löst? Wenn das nicht genug Wärme ist, können Sie weitere hinzufügen, die nur eingeschaltet sind, wenn die zusätzliche Leistung verfügbar ist. Aber einfacher ist meiner Meinung nach immer besser ...
Die thermische Zeitkonstante einer 1 cm ^ 2-Leiterplatte mit Kupferfolie beträgt 9.600 Sekunden / 100 * 100 oder 0,96 Sekunden. Bei einem 2 cm * 2 cm großen Brett ist dieser Tau mit 4 Sekunden 4-mal langsamer, was einer Erwärmung von 63 % entspricht. Das Kupfer wird Ihr Freund sein, wenn es darum geht, die Hitze zu bewegen.

Antworten (3)

Sie versuchen, den Sensor zu erhitzen, nicht die Platine. Lassen Sie uns also den Sensor erhitzen.

Ohne den Fußabdruck des Sensors zu kennen, ist es schwierig, mehr als eine allgemeine Antwort zu geben, also müssen Sie ihn an Ihre spezifische Situation anpassen. Aber das Wesentliche ist folgendes:

  1. Verwenden Sie einen einzelnen 0,5-W-Widerstand, der so bemessen ist, dass er möglicherweise 400 mW bis 450 mW zieht. Verwenden Sie keine größere Nennleistung, Sie möchten, dass der Widerstand für etwas mehr als die Leistung ausgelegt ist, die Sie durch ihn abführen möchten. Dies liegt daran, dass die Wärmeübertragung von der Temperaturdifferenz abhängt, sodass der Widerstand heißer und nicht kühler werden soll, selbst wenn die Leistung gleich ist.

  2. Platzieren Sie den Widerstand so, dass er direkt unter dem Sensor montiert ist, aber auf der gegenüberliegenden Seite der Platine. Und am wichtigsten ist, dass beide Pads des Widerstands etwas überdimensioniert sind und so viele Durchkontaktierungen haben, wie Sie hineinpassen können.

  3. Jetzt haben Sie die Wahl: Heizkissen oder direkte Wärmeinjektion. Dies hängt wirklich von der Größe, Form, Grundfläche und Beschaffenheit des Sensors ab. Wenn es ein großes Pad hat, das mit Masse oder einer anderen offensichtlichen Substratverbindung verbunden ist, ist die direkte Wärmeinjektion wahrscheinlich die beste Wahl. Machen Sie nur ein Pad des Heizwiderstands überdimensioniert, und nur dieses Pad hat Durchkontaktierungen. Diese Durchkontaktierungen sind direkt mit der Masse (oder was auch immer) des Substratpads des Sensors verbunden. Isolieren Sie das andere Pad des Widerstands thermisch, indem Sie nur eine sehr kleine (aber nicht so kleine, dass sie den Strom nicht verarbeiten kann) Kupferspur verwenden. Jetzt haben wir eine sehr direkte Schnittstelle zwischen Widerstand und Sensor. Die Reihenfolge ist Kupfer des Widerstandspads -> Lötmittel > Kupferpad und thermische Durchkontaktierungen -> Lötmittel -> Kupfermasse des Sensors. Wie du sehen kannst, Wir haben unseren Heizwiderstand mit Lötmittel und Kupfer direkt am Sensor befestigt. Wärme fließt viel lieber durch diesen Pfad mit niedrigem Wärmewiderstand und viel weniger in die umgebende Leiterplatte.

    Heizkissen sind ähnlich. aber wir haben thermische Vias auf beiden Widerstandspads und sie verbinden sich mit zwei Kupfergüssen direkt unter dem Sensor, die als Kupferheizpads fungieren. Decken Sie diese Gussstellen nach Möglichkeit nicht mit Lötstopplack ab und verwenden Sie eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad zwischen den Kupferheizpads und dem Sensor. Diese Option wird jedoch wahrscheinlich der direkten Wärmeinjektion unterlegen sein.

    Hinweis : Halten Sie diese thermischen Durchkontaktierungen so weit wie möglich von Ihren internen Kupfergüssen isoliert.

Um dies tatsächlich zu steuern, gibt es alle möglichen Verzögerungsschaltungen, die eine Diode, einen Transistor und die RC-Zeitkonstante eines Widerstands und eines Kondensators verwenden, wenn Sie dies nicht nur digital tun würden. Sie können dies verwenden, um die Stromversorgung des Widerstands aus- und nach einer voreingestellten Verzögerung (20-30 Sekunden) zum Sensor einzuschalten.

Es gibt viele oberflächenmontierte Widerstände von der Stange, die mit der Ihnen zur Verfügung stehenden Leistung umgehen können. Sie können sogar mehrere Widerstände verwenden, um die Wärme zu verteilen und die Leistung der Teile herabzusetzen. Beispielsweise sind viele 1206-Widerstände für 0,5 W ausgelegt. Wenn Sie zwei davon verwenden, um die Wärme zu verteilen, würde die Leistung zwischen ihnen aufgeteilt, was jedem viel Headroom gibt, um sicherzustellen, dass Sie sich nicht den angegebenen Grenzen nähern. Ein einzelner 2512-Widerstand kann für 1 W ausgelegt sein. Einzelheiten zu den einzelnen Teilen finden Sie im Teiledatenblatt des Herstellers.

Denken Sie daran, dass Sie versuchen, die Wärmeenergie in die Leiterplatte und in Ihren Sensor zu übertragen. Abhängig von der Art des Kühlkörpers, auf den Sie sich beziehen, versucht der Kühlkörper möglicherweise, diese Wärmeenergie an die Umgebungsluft zu übertragen, was Sie vermeiden möchten. Kupfer ist ein guter Wärmeleiter, daher können Sie die Leiterbahnen verwenden, die mit dem/den Heizwiderstand/en verbunden sind, um die Wärme auf den Sensor zu übertragen. Wenn der Widerstand und der Sensor einen gemeinsamen Knoten für die direkte Kupferverbindung haben, nutzen Sie das zu Ihrem Vorteil. Halten Sie den Widerstand in der Nähe des Sensors und das Kupfer zwischen ihnen so groß wie möglich.

Eine billige Lösung als Alternative zu SMD-Widerständen könnte darin bestehen, einen Mäander aus dünnen Kupferspuren zu verwenden, um die Leistung abzuleiten, wenn Sie Platz auf Ihrer Leiterplatte haben (möglicherweise in einer vergrabenen Schicht).

Buried Layer ist ohne Thermal Vias nicht gut und Vias kann man nicht effizient nutzen, da sie elektrisch getrennt werden müssen. Wenn der Sensorkörper jedoch groß genug ist und kein freiliegendes Pad hat, kann es eine sehr interessante Lösung sein, eine dünne Leiterplattenspur in das Heizgitter direkt unter dem Sensorkörper einzubringen.
Erwärmung der Leiterplatte in kalter Umgebung nur mit SMD-Bauteilen
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