Podstawowe zasady poprawnego wykonania testów termicznych dla elektroniki
Testy termiczne są jednymi z najczęściej wykonywanych testów na etapie powstawania urządzeń elektronicznych. Głównym celem takich testów jest określenie, czy w skrajnych temperaturach urządzenie nie tylko się nie zepsuje, ale także czy nie zostaną przekroczone wartości deratingowe dla poszczególnych komponentów, zwłaszcza półprzewodników. Wszelkiego rodzaju diody, tranzystory, mikroprocesory, regulatory LDO, scalone układy do przetwarzania napięcia, czy scalone mostki Greatza, posiadają określoną przez producenta dopuszczalną wartość temperatury złącza Tj (ang. temperature junction), która dla większości przypadków wynosi 150°C. Przekroczenie tej wartości skutkuje zniszczeniem struktury złącza półprzewodnikowego, dlatego konieczne jest wykonanie odpowiednich testów i analiz, aby nie dopuścić do takich sytuacji.
Co warto wiedzieć zanim przystąpi się do wykonania testów termicznych?
Poniżej przedstawiono kilka zasad.
Należy określić, które komponenty i w jakich warunkach będą grzały się na płytce najbardziej.
W celu określenia, które komponenty będą najbardziej narażone na wysokie temperatury, należy przeprowadzić wstępne obliczenia i analizy dla najgorszego przypadku.
Pisząc o warunkach testowych, mam na myśli nie tylko ustawienie granicznych temperatur w komorze termicznej, ale przede wszystkim takie warunki jak: wartość głównego napięcia zasilania, czy jak np. w aplikacjach LED-owych wybór odpowiedniego binu napięciowego diody LED.
W przypadku zasilaczy impulsowych zasilanych z sieci 80V – 320V/50Hz, wyposażonych w stopień PFC (ang. Power Factor Corrector) najbardziej grzeją się wejściowe komponenty, takie jak dławik filtrujący, mostek Greatza i dławik PFC przy minimalnej wartości głównego napięcia zasilania, a więc dla 80V AC.
W przypadku aplikacji LED zasilanych przez scalone źródła prądowe, najwięcej strat mocy na tymże źródle prądowym wydzieli się, jeśli do jego wyjścia podłączone zostaną diody LED z najniższym binem napięciowym. Jeżeli już mamy określone, które komponenty będą krytyczne pod względem testów termicznych, dobrą praktyką jest przetestowanie takiej płytki z użyciem kamery podczerwieni w celu weryfikacji wcześniej dokonanych już obliczeń i analiz.
Termopary mocujemy do obudów komponentów za pomocą odpowiedniego kleju z jak najmniejszą ilością, aby wyeliminować wpływ kleju na pomiar. Długość termopar również ma znaczenie i warto zadbać, aby były jak najkrótsze.
Należy zwrócić uwagę, gdzie dokładnie należy zamocować punkt termopary. Ma to znaczenie przy wysokich komponentach, takich jak kondensatory elektrolityczne, w myśl zasady, że ciepło od elementów uchodzi do góry, tzn. że temperatura tych komponentów jest najwyższa na górnej sferze ich powierzchni.
Czas testów termicznych w komorze
Należy wcześniej określić stałą czasową, przy której wartości temperatur zostaną ustalone. Jeśli mamy np. aplikacje, w których są różnego rodzaje dławiki z rdzeniami ferromagnetycznymi, warto pamiętać, że rdzenie te grzeją się najdłużej. Wynika to z ich wysokich wartości pojemności termicznych. Z tego powodu, nawet jeśli dla pozostałych komponentów, temperatura już dawno ustaliła się na niezmiennym poziomie, to warto wydłużyć testy, aby sprawdzić jaką wartość mogą osiągnąć wyżej wspomniane rdzenie dławików. Podsumowując, testy termiczne, począwszy od wstępnych obliczeń i analiz, a skończywszy na samym testowaniu, wymagają sporego nakładu pracy, aby zapewnić wysoką jakość gotowego produktu wdrożonego do masowej produkcji.
AUTOR: Łukasz Liput, Senior Hardware Design Engineer, ALTEN Polska