I. Co jsou tepelné průchody?
Tepelné průchodky jsou shluky průchodek speciálně navržených k rychlému vedení tepla z jedné vrstvy desky plošných spojů (obvykle horní nebo vnitřní vrstvy, kde se nacházejí součástky generující teplo) do dalších vrstev (zejména spodní měděné vrstvy nebo vnitřní měděné vrstvy). Nejsou to chladiče, ale spíše účinné pro vedení tepla, rozptylují teplo ze „zdroje tepla“ na větší měděnou plochu na desce plošných spojů, kde se rozptýlí konvekcí a zářením.
II. Základní funkce a účely
1. Snížení tepelného odporu: Čipy (zejména s kontaktními ploškami na spodní straně, jako jsou QFN, DFN a BGA) mají vysoký tepelný odpor vůči vzduchu. Pole průchodek (via) vedou teplo do velké plochy měděné fólie na spodní straně nebo do vnitřních vrstev desky plošných spojů, čímž se výrazně snižuje celkový tepelný odpor od spojů do okolí.
2. Rozvod a odvod tepla: Rychlý odvod tepla z bodu (zdroje tepla) do větší plochy zabraňuje lokálnímu přehřátí.
3. Připojení k tepelným strukturám: Odvádění tepla na zadní stranu desky plošných spojů, což také umožňuje instalaci externích chladičů, odvádění tepla skrz kryt nebo přímé vystavení proudění vzduchu.
III. Klíčové konstrukční aspekty
1. Rozvržení a pole
● Umístění pod zdrojem tepla: Průchodky se obvykle umisťují přímo pod tepelné podložky zařízení generujících teplo (například čipů).
● Formování pole: Využití hustě uspořádaného pole průchodů namísto jednotlivých průchodů. Obvykle se jedná o maticové nebo quincunxové uspořádání pro maximalizaci plochy vedení tepla.
2. Parametry přes
● Průměr otvoru: Obvykle malé průměry průchodů (např. 0,3 mm - 0,5 mm). Menší průměry umožňují více průchodů v omezené ploše, čímž se zvětšuje celková plocha průřezu pro vedení tepla. Je však třeba zohlednit procesní možnosti výrobce desek plošných spojů (minimální průměr otvoru).
● Tloušťka mědi na stěně otvoru: Maximalizujte tloušťku mědi na stěnách otvoru. U výrobce desky plošných spojů specifikujte „silnou měděnou výplň“ nebo „silnější pokovení stěny otvoru“ (např. 1 unce nebo více). Toto je jeden z nejúčinnějších způsobů, jak zlepšit tepelnou vodivost.
● Rozteč: Rozteč mezi středy otvorů je obvykle přibližně dvojnásobkem průměru otvoru, aby se zajistil dostatek měděných kroužků a zabránilo se zlomení otvoru během vrtání. Příliš hustá rozteč může vést k problémům s integritou signálu (vytváření rezonančních dutin) nebo k výrobním obtížím.
3. Spojení vrstev a pájecí maska
● Propojte všechny možné velké měděné vrstvy: V ideálním případě by tepelné průchodky měly být propojeny se všemi vnitřními napájecími/uzemňovacími rovinami a spodní měděnou fólií. To je ekvivalentní připojení zdroje tepla k velké „tepelné masě“.
● Otvory pro pájecí masku: Na zadní (spodní) vrstvě desky plošných spojů, v oblasti odpovídající průchodům, nezapomeňte vytvořit otvory pro pájecí masku (tj. zabraňte tomu, aby pájecí maska zakrývala měď a průchody). To umožňuje:
* Odvádějte teplo přímo do vzduchu.
* Snadné pájení dalších chladičů nebo kovových bloků.
* V případě potřeby lze použít teplovodivou pastu.
4. Připojení k vnitřním měděným vrstvám
● Propojení by měla být plně propojena s vnitřními měděnými vrstvami (zaplavovací spojení), nikoli pomocí tepelně odlehčovacích křížových spojů. Pro odvod tepla potřebujeme cestu s nejnižším tepelným odporem.
IV. Úvahy o tepelné simulaci
Při provádění tepelných simulací v softwaru EDA (jako je ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim atd.):
● Pole průchodek je třeba modelovat jako ekvivalentní tepelně vodivý blok s ekvivalentní tepelnou vodivostí, která je mnohem vyšší než u běžného materiálu FR-4.
● Model musí pro výpočet ekvivalentní tepelné vodivosti zohlednit faktory, jako je tloušťka měděné stěny, plnivo (vzduch nebo pryskyřice) a hustota náplně.
● Hlavním účelem simulace je vyhodnotit vliv různých provedení průchodů (via) na teplotu spoje čipu a rozložení teploty povrchu desky plošných spojů.
V. Pokročilé techniky a variace
1. Vyplněné průchody:
● Vodivá výplň: Vyplněna měděnou pastou nebo vodivou epoxidovou pryskyřicí, která nabízí vynikající tepelnou vodivost, ale za vysokou cenu.
● Nevodivá výplň: Naplněna pryskyřicí a poté povrchově pokovena (VIPPO). Jejím hlavním účelem je zabránit úniku pájecí pasty během montáže čipu na přední stranu a také poskytuje určité zlepšení tepelné vodivosti (lepší než vzduch).
● Tepelně vodivá epoxidová pryskyřičná výplň: Vyplněna speciálním izolačním materiálem s vysokou tepelnou vodivostí, který zlepšuje tepelnou vodivost a zároveň zajišťuje elektrickou izolaci.
2. Platí pro zařízení s vysokým výkonem:
Tepelné průchodky jsou nezbytné pro MOSFETy, vysokoproudé DC-DC měniče atd. Obvykle se umisťují na velkou plochu pod zařízením.
3. Bezpečnostní opatření:
● Integrita signálu: Husté pole prostupů může narušit referenční rovinu, která se nachází pod vysokorychlostními signálovými vedeními (zejména mikrovlnnými a vysokofrekvenčními), a způsobit tak nespojitosti. Je nutné diskrétní vyhodnocení.
● Problémy s pájením: Pokud se průchodky nacházejí přímo na povrchově montovaných ploškách (zejména na ploškách pro malé čipy), je nezbytné správné zaslepení pájecí maskou, aby se zabránilo úniku pájecí pasty během pájení reflow, což by vedlo ke studeným pájeným spojům.
VI. Shrnutí návrhu
1. Identifikujte zdroje tepla: Vyhledejte na desce plošných spojů hlavní součásti generující teplo.
2. Naplánujte cesty pro odvod tepla: Určete, která vrstva (obvykle zadní) bude vést teplo.
3. Umístěte pole propojovacích otvorů: Pod tepelné podložky zařízení umístěte husté propojovací otvory s malým průměrem.
4. Nastavte vlastnosti průchozího potrubí: Zadejte ztluštěnou stěnu průchozího potrubí z mědi, která se připojí ke všem relevantním vrstvám mědi.
5. Pájecí maska: Zajistěte otvory pro pájecí masku v zadních oblastech odvodu tepla.
6. Inspekce DFM: Komunikace s výrobcem desek plošných spojů za účelem potvrzení proveditelnosti a nákladů na procesy, jako je průměr otvoru, tloušťka mědi a vyplnění prostupů.
7. Proveďte tepelnou simulaci: Ověřte účinnost návrhu.
Stručně řečeno, tepelné průchodky na deskách plošných spojů (PCB) představují nízkonákladovou a vysoce účinnou metodu pro odvod tepla. Hlavním účelem je „využití celé měděné vrstvy desky plošných spojů jako chladiče“. Návrh průchodek je klíčem k úspěšnému řízení teploty, zejména ve výkonové elektronice a kompaktních zařízeních.
Společnost Benlida vyrábí desky plošných spojů (PCB) a desky plošných spojů (PCBA) již 14 let a zavedla si systém výroby: od moderního vybavení až po technický tým, od řízení procesů až po silný dodavatelský řetězec. Máme velmi propracované výrobní procesy pro tepelné průchodky pro desky plošných spojů. Pokud potřebujete desky plošných spojů na zakázku, kontaktujte prosím Benlidu!
cs
WhatsApp