Thesis /

ROMDOC-THESIS-2017-980

Contribuţii privind managementul termic al componentelor electronice SMD

Bunea, Radu Alexandru
2011-09-15

Abstract: Lucrarea îşi propune un amplu studiu al fenomenelor termice implicate de contactarea şi funcţionarea componentelor electronice SMD. La partea de contactare se propune o soluţie alternativă, utilizarea radiaţiei laser ca sursă de energie termică. Această soluţie este necesară din cauza condiţiilor speciale de control impuse de materiale noi. Analiza proceselor termice în funcţionarea componentelor electronice este impusă de condiţiile tot mai restrictive de disipare a căldurii, astfel încât trebuie găsite metode alternative de menţinere a temperaturii de funcţionare în limitele date de producător pentru maximizarea fiabilităţii. De asemenea, există o strânsă legătură între procesul de contactare a componentelor şi comportamentul termic în funcţionare. În capitolul I este analizat procesul de formare a contactării în general, ca reacţie între un metal (sau aliaj) în stare lichidă şi unul în stare solidă. Este studiat rolul aliajului de contactare, al fluxului şi al căldurii în realizarea contactării. Sunt analizate proprietăţile principale ale contactărilor şi efectul acestora asupra funcţionării componentei. În capitolul al doilea este analizat procesul de formare a contactării pentru tehnologiile uzuale de contactare: în val, în atmosferă de vapori saturaţi, cu radiaţie infraroşie, prin convecţie şi cu laser. Această analiză detaliată evidenţiază caracteristicile principale ale contactării, rezultate în urma profilului termic specific pentru fiecare tehnologie precum şi alte particularităţi de contactare. Plecând de la analiza anterioară, cercetările au fost axate pe tehnologia laser pentru contactarea componentelor. Aceasta are avantajul controlului foarte precis al parametrilor de contactare (putere, timp), şi are avantajul aplicabilităţii într-o varietate de situaţii speciale de contactare. A fost realizat un model de calcul al energiei necesare realizării unei contactări în funcţie de configuraţia de contactare: dimensiunea componentei, cantitatea de aliaj de contactare, tipul de aliaj de contactare, dimensiunile pastilelor şi a traseelor de interconectare, tipul de substrat folosit. Au fost realizate contactări pentru cazuri speciale (circuit integrat în capsulă BGA contactat pe substrat plexiglas), dar au fost contactate şi componente electronice clasice pentru validarea modelului propus. În capitolul patru se începe managementul termic în funcţionarea componentelor electronice. Este prezentată teoria ce stă la baza cercetărilor, transferul termic prin conducţie, convecţie şi radiaţie, regimul staţionar de funcţionare şi regimul tranzitoriu de funcţionare. Este propus un model de analiză a transferului de căldură de la componentele SMD, având la bază analogia termic-electric. Pe baza modelului propus în capitolul anterior, au fost realizate cercetări privind disipaţia de putere în cazul componentelor electronice SMD. Sunt prezentate rezultatele cercetărilor privind influenţa parametrilor de circuit (contactare, traseu, finisarea suprafeţei, substrat) asupra temperaturii maxime a corpului componentelor electronice. În urma cercetărilor au fost constatate inadvertenţe între condiţiile reale de funcţionare a traseelor de interconectare şi datele oferite de standarde la data cercetărilor. Acest fapt a condus la aprofundarea cercetărilor privind încălzirea elementelor de circuit prin efect Joule. În final, a fost realizată o cercetare a pastilelor de decuplare termică, elemente de circuit recomandate la conectarea unei pastile de contactare cu un plan de masă, despre care nu existau detalii sau recomandări de proiectare, dar care au fost propuse de către autor. The thesis aims for an ample study on the thermal phenomena implied by the soldering and functioning of SMD electronic components. For soldering, it is proposed an alternative solution, using laser for heat generation. This solution is necessary because of the special control requirements imposed by the new materials used. The analysis of thermal processes involved in the functioning of the electronic components is required by the ever increasing constraints of heat dissipation, so new, alternative methods of reducing the functioning temperature are needed, in order to maximize the reliability of the whole electronic module. Also, there is a very close relationship between the soldering process and the thermal response of the electronic components. In the first chapter it is analyzed the process of solder joint formation, as chemical reaction between a molten and a solid metal (or alloy). It is studied the role of the solder alloy, of flux and of heat for solder joint formation. There are analyzed the main characteristics of solder joints and their effect on the functioning of electronic components. In the second chapter it is studied the process of solder joint formation for the most used soldering technologies: wave, vapor phase, infrared, convection, laser soldering. This analysis highlights the main characteristics of the solder joints, as results of the thermal profile specific to each technology. Starting from the previous studies, the following research was focused on the laser technology for soldering components. Laser soldering has the advantage of very precise control of parameters (power, time of soldering) and can be applied to a wide variety of special soldering situations. It was developed a model for the computation of the energy necessary for realizing a solder joint, as function of the specific soldering situation: component size, solder paste quantity, type of solder alloy, size of pads and interconnection tracks, type of substrate. It was developed a special soldering situation (BGA integrated circuit on Plexiglas substrate), but classical electronic components were also soldered for validating the proposed model. In the fourth chapter there are studied the thermal processes involved in the functioning of electronic components. It is presented the theory onto which is based the following research, the conduction, convection and radiation heat transfer, the stationary and transitive functioning regimes. It is proposed a model for analyzing the heat transfer from SMD components, based on the thermal-electric model. Based on the proposed model, there was researched the heat dissipation from SMD components. There are presented the results from the research on the influence of circuit parameters (solder joint, track, surface finishing, substrate) on the maximum temperature of the component body. There were discovered inaccuracies between the real functioning conditions of PCB tracks and the data offered by the standards. This led to a more in-depth research of tracks heating by Joule effect. Last, but not least, it was researched the thermal relief pads, which are printed circuit elements recommended for connecting pads to ground planes, and about which there did not exist design recommendations, but were proposed by the author.

Keyword(s): Componente electronice -- Teză de doctorat ; Circuite imprimate -- Teză de doctorat ; Tehnologie electronică -- Teză de doctorat ; Tehnologii de contactare -- Teză de doctorat
OPAC: See record in BC-UPB Web OPAC
Full Text: see files

Notices similaires

 

Les utilisateurs qui ont vu cette page ont aussi vu:

(274)  Optimizarea conceptuală şi operaţională a instalaţiilor chimice multiscop - Voinescu, Sorin - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2003-000000054 (258)  Managementul congestiilor în sistemele electroenergetice în prezenţa surselor regenerabile - Boambă, Claudia-Elena - ROMDOC-THESIS-2021-2325 (257)  Contribuţii privind realizarea unui simulator de antrenare dintr-un dispecerat teritorial de reţele electrice - Bolborici, Daniela - ROMDOC-THESIS-2016-544 (256)  Sisteme electronice de control automat a proceselor tehnologice din industria cimentului - Bernea, Florin George - ROMDOC-THESIS-2021-2312 (256)  Cercetări asupra managementului energetic al autovehiculelor de teren - Irimia, Petru-Cristinel - ROMDOC-THESIS-2021-2315

 

Évaluer ce document:

Soyez le premier à noter ce document

Discuter ce document:

Commencer la discussion sur n'importe quel aspect de ce document.