Mỗi lần tắt và bật thiết bị, nhiệt độ của nó sẽ thay đổi. (Hãy nghĩ đến tần suất điện thoại của bạn sáng đèn cả ngày.) Năng lượng truyền qua nhiều lớp vật liệu xếp chồng khít nhau khiến thiết bị nóng lên, rồi nhanh chóng nguội đi. Sự dao động lặp đi lặp lại giữa các nhiệt độ này trong suốt vòng đời của một thiết bị được gọi là chu kỳ nhiệt.

Tại sao quản lý nhiệt lại quan trọng

Chu kỳ nhiệt, quá trình thiết bị chuyển đổi qua trạng thái nóng và lạnh, là một trong những nguyên nhân lớn nhất gây ra hỏng hóc trong thiết bị điện tử. Nếu hiện tượng mỏi nhiệt xảy ra, nhiều hệ thống bên trong thiết bị có thể bị ảnh hưởng, dẫn đến cong vênh, mối hàn yếu, gãy hoặc nứt — và cuối cùng, nếu không được khắc phục, sẽ dẫn đến hỏng hóc toàn bộ sản phẩm.

Vì thiết bị điện tử hiện diện ở khắp mọi nơi ngày nay nên áp lực do chu kỳ nhiệt gây ra ảnh hưởng đến các thành phần trong thiết bị trên nhiều ngành công nghiệp như:

• Ô tô
• Hàng không vũ trụ và quốc phòng
• Y sinh học
• Chế tạo
• Hàng tiêu dùng

Điều gì khiến các linh kiện nhạy cảm với chu kỳ nhiệt?

Có một số lý do khiến các linh kiện có thể nhạy cảm với chu kỳ nhiệt, bao gồm vị trí đặt linh kiện trên bảng mạch và loại linh kiện, chẳng hạn như các gói QFN (bộ vi mạch bốn mặt phẳng không chì), mảng lưới bi (BGA) và tụ điện gốm. Các linh kiện này không có chân dẫn phù hợp, do đó chỉ có chất hàn mới có thể hấp thụ ứng suất.

Với các linh kiện nhạy cảm với ứng suất, điều quan trọng là không đặt chúng ở những khu vực có ứng suất cao trên bo mạch, chẳng hạn như:

• Gần lỗ lắp
• Các khu vực giữa hoặc gần các thành phần cứng lớn hơn (như cuộn cảm)
• Gần các cạnh ván có rãnh chữ V, nơi rãnh chữ V bị gãy có thể làm hỏng bộ phận đó

Ví dụ về vị trí QFN

Trong Hình 2, một QFN được đặt giữa hai cuộn cảm lớn trên một bảng mạch in (PCB) với bốn góc cách điện. Trong quá trình tuần hoàn nhiệt, bạn có thể thấy các vùng biến dạng cao (được biểu thị bằng màu đỏ và vàng) phát triển. Việc đặt QFN vào vùng biến dạng cao này có thể dẫn đến hỏng mối hàn của QFN.

Sự biến dạng của mối hàn trong thiết bị điện tử

Hàn là một trong những cách cơ bản nhất để gắn linh kiện trên bảng mạch. Giống như keo nóng chảy kim loại, hàn được nung chảy và dùng để dán các chi tiết lại với nhau khi đông cứng. Mặc dù sự xuống cấp của mối hàn có thể do rung động hoặc va đập, nhưng chu kỳ nhiệt thường là nguyên nhân gây hỏng mối hàn.

Mỗi vật liệu đều có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) riêng, và sự không tương thích giữa các vật liệu là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mỏi mối hàn. Khi mối hàn bị căng, các liên kết giữa linh kiện và bảng mạch có thể bị biến dạng, nứt hoặc đứt, dẫn đến nguy cơ hỏng hóc. 

Kiểm tra vòng đời chu kỳ nhiệt tăng tốc

Không phải mọi thứ trên một bảng mạch đều hoàn toàn mang tính điện. Các lớp vật liệu dùng để truyền tải điện thường được chôn sâu bên trong bảng mạch và không thể quan sát từ trên xuống dưới. Khi dòng điện chạy qua, chúng sẽ giãn nở, co lại và biến dạng. Việc dự đoán phản ứng của các linh kiện này với chu kỳ nhiệt là rất quan trọng để kiểm tra tuổi thọ chính xác.

Lý tưởng nhất là để ngăn ngừa hư hỏng do mỏi nhiệt, các kỹ sư nên giảm thiểu các tác nhân gây ứng suất nhiệt ngay từ giai đoạn thiết kế. Sử dụng mô phỏng, họ có thể thấy ứng suất sẽ xuất hiện ở đâu và thực hiện các thay đổi về số lượng lớp vật liệu và các điểm neo giữ, vị trí các thành phần và vật liệu lấp đầy trước khi tạo ra nguyên mẫu thực tế.

Khi sử dụng mô phỏng để kiểm tra rủi ro độ tin cậy nhiệt-cơ, điều quan trọng là phải sử dụng phần mềm có khả năng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hoặc phân tích cấu trúc. FEA là một biểu diễn toán học của một hệ thống vật lý sử dụng lưới để ánh xạ các phần tử vào mô hình của bạn. Kỹ thuật lưới cực kỳ quan trọng để phân tích chính xác.

Thiết kế thiết bị điện tử bền lâu

Hiểu rõ các rủi ro về độ tin cậy nhiệt-cơ là một bước quan trọng khi thiết kế thiết bị điện tử. Chu kỳ nhiệt độ là một trong những nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc thiết bị điện tử, và việc thiết kế thiết bị không tính đến rủi ro này có thể dẫn đến hỏng hóc sản phẩm ngoài ý muốn ngay tại hiện trường. Sử dụng mô phỏng là bước đầu tiên quan trọng mà các kỹ sư có thể thực hiện để loại bỏ các chu kỳ thiết kế kéo dài và giảm thiểu việc lặp lại nhiều lần nguyên mẫu.