1. Réz terület megnövelése és nagy területű rézöntés
Alapelv: A réz hővezető képessége megközelítőleg 401 W/(m·K), ezerszer nagyobb, mint az FR-4 hordozóé (~0,3 W/(m·K)). A hőtermelő alkatrészek körüli rézfólia területének kiterjesztése nagyobb keresztmetszetet hoz létre a hőterjedés érdekében, és hatékonyan csökkenti a csatlakozási pont és a környezet közötti hőellenállást.
Mérnöki kulcspontok:
A hőintenzív IC-k táp- és földelt érintkezőinek közvetlenül nagy rézsíkokhoz kell csatlakozniuk; kerülje a szűk nyomokat, amelyek korlátozzák a hőáramlást.
Öntsön rezet mind a felső, mind az alsó rétegre, és hővel csatlakoztassa őket átmenőnyílásokon keresztül a rézvastagság egyenértékű megduplázódása érdekében.
A nagyobb rézöntés nem mindig jár arányos haszonnal. A hőerősítés a chip méretének 3-5-szörösére csökken. Egyensúlyozza a hőteljesítményt az EMI-vel és a jel integritásával.
Az alsó hőpárnákkal rendelkező BGA / QFN eszközöknél tartson fenn folyamatos rézréteget szegmentálás nélkül közvetlenül a chip alatt.
2. Thermal Vias Array
Alapelv: Ha az alkatrész hőpárna a felső rétegen van, miközben jelentős hőleadás történik az alsó vagy a belső rétegeken, a függőleges hőellenállást az FR-4 dielektrikum uralja. A hőátmenetek rézcsatornákat képeznek a PCB rétegeken keresztül, és gyorsan továbbítják a hőt a felső oldali párnákról az alsó réteg rézre vagy hűtőbordákra. A függőleges hőellenállás csökkentésének egyik leghatékonyabb módja.
Mérnöki kulcspontok:
A mennyiség fontosabb, mint egy átmérőjű átmérő. Több kis vias jobb teljesítményt nyújt egy nagy átmenetnél. Tipikus megvalósítás: 0,3–0,5 mm átmérőjű átmenetek tömbökbe rendezve, 1,0–1,5 mm-es osztásközzel a hőpárnák alatt.
Akadályozza meg a forrasztás felszívódását: a közvetlenül a párnákon lévő átmenetek elszívhatják a forrasztóanyagot. A tömeggyártáshoz használja a VIPPO-t (Via-in-Pad Plated-Over) keresztül töltéssel és rézsapkával.
Párosítsa a hőátvezetőket szilárd belső rétegű földeléssel vagy tápsíkokkal, hogy 3D-s hőleadó szerkezetet építsen fel, amely egyesíti az átmenőnyílásokat és a síkokat.
5 W feletti fogyasztású eszközök esetén használjon legalább 9 hőátmenetet, és ellenőrizze az eredményeket hőszimulációval.
3. Thermal Pad & Exposed Pad (EPAD)
Alapelv: Az olyan csomagok, mint a QFN, DFN és SOIC-EP, fedetlen fém vágóbetétet tartalmaznak az alján, amely közvetlenül a forgácsszerszámhoz van kötve. A PCB-re tervezett hozzáillő rézpárna lehetővé teszi a hő távozását a chip hátoldaláról, nem csak az alkatrészek vezetékein keresztül.
Mérnöki kulcspontok:
A PCB EPAD méretének követnie kell az adatlap ajánlásait, általában valamivel nagyobb (0,1–0,25 mm-es margó mindkét oldalon), mint a csomagoláson látható párna.
Vezesse az EPAD-ot az alsó vagy a belső réteg nagy rézsíkjaihoz termikus tömbökön keresztül; A felső réteg réz önmagában korlátozott hűtési képességet biztosít.
Tervezési sablon több kis nyílással (egy tömör nagy nyílás helyett) az EPAD felett a forrasztópaszta mennyiségének szabályozására és az alkatrészek lebegésének vagy áthidalásának megakadályozására.
A jól megvalósított EPAD akár 1-2 fok /W hőellenállást is elérhet, magas költség-teljesítményt biztosítva a termikus tervezéshez.
4. Fémmagos PCB (MCPCB / alumínium alapú PCB)
Alapelv: A szabványos FR-4 szubsztrátumok hővezető képessége gyenge. Az MCPCB alumíniumot vagy rezet használ magként, vékony hővezető dielektromos réteggel (50-100 μm). Teljes hővezető képessége eléri az 1-8 W/(m·K) értéket, ami sokszorosa az FR-4-nek. A hőátadás az alkatrészek párnáiról a dielektromos rétegen keresztül a fémmagba, majd a burkolatba.
Mérnöki kulcspontok:
Tipikus alkalmazások: nagy teljesítményű LED-világítás, autóelektronika, teljesítménymodulok. A LED-es csatlakozási hőmérséklet-szabályozás nagymértékben támaszkodik az alumínium alapú PCB-kre.
A fő termikus szűk keresztmetszet a dielektromos réteg. A dielektromos hővezető képességet részesítse előnyben, ahelyett, hogy csak az alapfém anyagokra összpontosítana az alkatrészek kiválasztásakor.
Magasabb költség, mint az FR-4. A vezetőképes fémmag miatt összetett feldolgozás szükséges; a többrétegű MCPCB technikailag kihívást jelent.
Alternatív megoldás: az FR-4 lapokba ágyazott részleges réz érme / rézbetét a kiegyensúlyozott költség és hőteljesítmény érdekében.
5. Külső hűtőbordák és termikus interfész anyagok (TIM)
Alapelv: Amikor a PCB belső hőleadása eléri a határokat, a hőt nagyobb külső hűtőbordákhoz kell vezetni. A hőtermelő alkatrészek vagy a hátoldali PCB-réz TIM-eken keresztül érintkeznek a hűtőbordákkal, kitöltik a mikroszkopikus réseket és kiszorítják a levegőt (a levegő hővezető képessége ~0,026 W/(m·K), rossz hővezető).
| Írja be | Hővezetőképesség | Vastagság | Alkalmazási forgatókönyvek |
|---|---|---|---|
| Termikus zsír | 2‑8 W/(m·K) | Nagyon vékony (<0.1 mm) | IGBT, CPU; olyan alkalmazások, amelyek lehetővé teszik az újra összeszerelést szabályozott nyomással |
| Thermal Gap Pad | 1‑6 W/(m·K) | 0,5-5 mm | Magasságkülönbség kompenzáció, elektromos szigetelés, ütéselnyelés |
| Kétkomponensű hőragasztó | 1‑3 W/(m·K) | Alkalmazásfüggő | Hőérintkezést és mechanikai kötést egyaránt igénylő forgatókönyvek |
| Fázisváltási anyag | 3‑6 W/(m·K) | 0,1-0,25 mm | Magas hőmérsékleten megolvad a hézagkitöltés érdekében, jó hosszú távú megbízhatóság |
6. Alkatrészek elrendezésének optimalizálása és légcsatornák tervezése
Alapelv: Az előző öt módszer a hővezetésre összpontosít. Végül a hőnek konvekción és sugárzáson keresztül a környezetbe kell disszipálnia. A megfelelő elrendezés és a légáramlás kialakítása további anyagjegyzék-költség nélkül jelentősen csökkentheti a rendszer hőellenállását.
Összegzés: Szisztematikus gondolkodás a termikus tervezéshez
A nyomtatott áramköri lapok termikus tervezése nem egyszerűen az egyes trükkök egymásra halmozását jelenti, hanem szisztematikus optimalizálást a teljes hőellenállási láncon keresztül:
Chip Junction → Csomag → Forrasztóbetét → Nyomtatott lap réz → Vias / Fémmag → Hűtőborda → Környezeti környezet
Minden szegmens hőellenállása mennyiségi értékelést igényel. Javasolt munkafolyamat:
Becsülje meg az energiafogyasztást és a maximális megengedett csatlakozási hőmérsékletet minden egyes hőtermelő eszközhöz.
Számítsa ki a megengedett teljes hőellenállást: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Rendelje el a hőellenállási költségvetést a csomaghoz, a nyomtatott áramköri laphoz és a hűtőbordához, és azonosítsa a szűk keresztmetszeteket.
Kombinálja a fent említett módszereket. Az EPAD plusz hőátmenetek és a nagy alsó rétegű réz a legköltséghatékonyabb alapvonalat kínálja. Adjon hozzá hűtőbordákat vagy fémmagos táblákat a nagy teljesítményű forgatókönyvekhez.
Érvényesítés hőszimulációval (FloTHERM, ANSYS Icepak stb.) és kalibrálás infravörös hőképméréssel.
