1. Vaseala suurendamine ja suure pindalaga vasevalamine
Põhiprintsiip: Vase soojusjuhtivus on ligikaudu 401 W/(m·K), mis on tuhandeid kordi kõrgem kui FR-4 substraadil (~0,3 W/(m·K)). Vaskfooliumi ala laiendamine soojust tootvate komponentide ümber loob soojuse levimiseks suurema ristlõike ja vähendab tõhusalt ühenduskoha ja ümbritseva keskkonna soojustakistust.
Inseneri põhipunktid:
Kuumusmahukate IC-de toite- ja maandusviigud ühendatakse otse suurte vasest tasapindadega; vältige kitsaid jälgi, mis piiravad soojusvoogu.
Valage nii ülemisele kui ka alumisele kihile vaske ja ühendage need termiliselt läbi avade, et saavutada samaväärne vase paksuse kahekordistumine.
Suurem vasevalamine ei anna alati proportsionaalset kasu. Termiline võimendus väheneb rohkem kui 3–5 korda kiibi suurusest. Tasakaalustage termiline jõudlus EMI ja signaali terviklikkuse vahel.
Alumiste termopatjadega BGA/QFN-seadmete puhul hoidke otse kiibi all pidevat vaske ilma segmenteerimiseta.
2. Thermal Vias Array
Põhiprintsiip: Kui komponendi termopadi on pealmisel kihil, samas kui suur soojuse hajumine toimub alumisel või sisemisel kihil, domineerib vertikaalne soojustakistus FR-4 dielektrik. Soojuskanalid moodustavad PCB kihtide vahel vaskkanalid, kandes soojust kiiresti ülemistelt padjadelt alumise kihi vasele või jahutusradiaatoritele. Need on üks tõhusamaid viise vertikaalse soojustakistuse alandamiseks.
Inseneri põhipunktid:
Kogus on olulisem kui ühe läbimõõduga läbimõõt. Mitu väikest läbipääsu on parem kui üks suur. Tüüpiline teostus: 0,3–0,5 mm läbimõõduga läbiviigud, mis on paigutatud massiividesse 1,0–1,5 mm sammuga termopatjade all.
Vältige jootevedeliku ärajuhtimist: otse patjadele sattuvad läbiviigud võivad joodist eemale tõmmata. Masstootmiseks kasutage VIPPO-d (Via-in-Pad Plated-Over) koos täidise ja vaskkattega.
Ühendage termilised läbiviigud tugeva sisekihi maandus- või toitetasapindadega, et luua 3-D soojuse hajutusstruktuur, mis ühendab läbiviike ja tasapindu.
Seadmete puhul, mille energiatarve on üle 5 W, kasutage vähemalt 9 termilist läbipääsu ja kontrollige tulemusi termilise simulatsiooni abil.
3. Thermal Pad & Exposed Pad (EPAD)
Põhiprintsiip: Pakettidel, nagu QFN, DFN ja SOIC-EP, on allosas katmata metallist stantsipadi, mis on otse kiibivormiga ühendatud. PCB-le loodud vastav vaskpadi laseb soojusel välja pääseda kiibi tagaküljelt, mitte ainult komponentide juhtmete kaudu.
Inseneri põhipunktid:
PCB EPAD mõõtmed peavad järgima andmelehe soovitusi, tavaliselt pisut suuremad (mõlemal küljel 0,1–0,25 mm veeris) kui pakendi avatud padjandil.
Suunake EPAD alumise või sisemise kihi suurtele vasest tasapindadele läbi termiliste massiivide; ainuüksi pealmine kiht vask tagab piiratud jahutusvõime.
Kujundage EPAD-i kohal mitme väikese avaga (ühe suure ava asemel) šabloon, et kontrollida jootepasta mahtu ja vältida komponentide hõljumist või sildamist.
Hästi rakendatud EPAD võib saavutada nii madala soojustakistuse kui 1–2 kraadi /W, mis tagab soojusdisaini kõrge kulutasuvuse.
4. Metallist südamikuga PCB (MCPCB / alumiiniumipõhise PCB)
Põhiprintsiip: Standardsete FR-4 substraatide soojusjuhtivus on halb. MCPCB kasutab õhukese soojust juhtiva dielektrilise kihiga (50–100 μm) südamikuna alumiiniumi või vaske. Selle üldine soojusjuhtivus ulatub 1–8 W/(m·K), mis on mitu korda kõrgem kui FR-4. Soojus kandub komponentpadjalt läbi dielektrilise kihi metallsüdamikusse ja seejärel korpusesse.
Inseneri põhipunktid:
Tüüpilised rakendused: suure võimsusega LED-valgustid, autoelektroonika, toitemoodulid. LED-ristmiku temperatuuri juhtimine sõltub suuresti alumiiniumist PCB-dest.
Dielektriline kiht on peamine termiline pudelikael. Eelistage dielektrilist soojusjuhtivust selle asemel, et keskenduda ainult mitteväärismetalli materjalile komponentide valimisel.
Kõrgem hind kui FR-4. Juhtiva metallsüdamiku tõttu on vajalik keerukas töötlemine; mitmekihiline MCPCB on tehniliselt keeruline.
Alternatiiv: osaline vaskmünt / vasest sisestus, mis on manustatud FR-4 plaatide sisse, et tagada tasakaalustatud kulud ja soojuslik jõudlus.
5. Välised jahutusradiaatorid ja termiliidese materjalid (TIM)
Põhiprintsiip: Kui PCB sisemine soojuse hajumine jõuab piirini, tuleb soojus juhtida suurematesse välistesse jahutusradiaatoritesse. Soojust genereerivad komponendid või tagumine PCB vask puutuvad kokku jahutusradiaatoritega TIM-ide kaudu, täites mikroskoopilised tühimikud ja tõrjudes välja õhku (õhu soojusjuhtivus ~0,026 W/(m·K), halb soojusjuht).
| Tüüp | Soojusjuhtivus | Paksus | Rakenduse stsenaariumid |
|---|---|---|---|
| Termiline määre | 2‑8 W/(m·K) | Väga õhuke (<0.1 mm) | IGBT, protsessor; rakendused, mis võimaldavad kontrollitud rõhuga uuesti kokku panna |
| Thermal Gap Pad | 1‑6 W/(m·K) | 0,5-5 mm | Kõrguse erinevuse kompenseerimine, elektriisolatsioon, löögisummutus |
| Kahekomponentne termoliim | 1‑3 W/(m·K) | Olenevalt rakendusest | Stsenaariumid, mis nõuavad nii termilist kontakti kui ka mehaanilist sidumist |
| Faasi muutmise materjal | 3‑6 W/(m·K) | 0,1-0,25 mm | Sulab kõrgel temperatuuril tühimike täitmiseks, hea pikaajaline töökindlus |
6. Komponentide paigutuse optimeerimine ja õhukanalite projekteerimine
Põhiprintsiip: Eelmised viis meetodit keskenduvad soojusjuhtivusele. Lõpuks peab soojus konvektsiooni ja kiirguse kaudu ümbritsevasse keskkonda hajuma. Õige paigutus ja õhuvoolu disain võivad oluliselt vähendada süsteemi soojustakistust ilma täiendavate BOM-kuludeta.
Kokkuvõte: Süstemaatiline mõtlemine soojusdisaini jaoks
PCB termiline disain ei ole lihtsalt üksikute trikkide virnastamine, vaid süstemaatiline optimeerimine kogu soojustakistusahela ulatuses:
Chip Junction → Pakend → Jootepadi → PCB vask → Vias / metallsüdamik → Jahutusradiaator → Ümbritsev keskkond
Iga segmendi soojustakistus vajab kvantitatiivset hindamist. Soovitatav töövoog:
Hinnake iga soojust tootva seadme energiatarve ja maksimaalne lubatud ühendustemperatuur.
Arvutage lubatud summaarne soojustakistus: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Määrake pakendile, PCB-le ja jahutusradiaatorile soojustakistuse eelarve ning tuvastage kitsaskohad.
Ühendage ülaltoodud meetodid. EPAD pluss termilised läbipääsud ja suur alumise kihi vask pakuvad kõige kulutõhusamat baasjoont. Suure võimsusega stsenaariumide jaoks lisage jahutusradiaatorid või metallsüdamikuga plaadid.
Kinnitage termosimulatsiooniga (FloTHERM, ANSYS Icepak jne) ja kalibreerige infrapuna-termopildi mõõtmiste abil.
