1. Збільшення площі міді та заливка міді великої площі
Основний принцип: Мідь має теплопровідність приблизно 401 Вт/(м·K), що в тисячі разів вище, ніж у підкладки FR-4 (~0,3 Вт/(м·K)). Збільшення площі мідної фольги навколо компонентів, що виділяють тепло, створює більший поперечний переріз для поширення тепла та ефективно зменшує термічний опір з’єднання з навколишнім середовищем.
Інженерні ключові моменти:
Виводи живлення та заземлення теплоємних мікросхем повинні підключатися безпосередньо до великих мідних пластин; уникайте вузьких слідів, які обмежують потік тепла.
Налийте мідь на верхній і нижній шари та термічно з’єднайте їх через отвори, щоб досягти еквівалентного подвоєння товщини міді.
Більша заливка міді не завжди забезпечує пропорційні переваги. Тепловий приріст зменшується в 3-5 разів порівняно з розміром мікросхеми. Збалансуйте теплові характеристики з електромагнітними перешкодами та цілісністю сигналу.
Для пристроїв BGA/QFN із нижніми термопрокладками підтримуйте суцільну мідь без сегментації безпосередньо під мікросхемою.
2. Масив теплових отворів
Основний принцип: Коли термопрокладка компонента знаходиться на верхньому шарі, а значне розсіювання тепла відбувається на нижньому або внутрішньому шарах, вертикальний термічний опір домінує діелектрику FR‑4. Теплові отвори утворюють мідні канали в шарах друкованої плати, швидко передаючи тепло від верхніх бічних майданчиків до міді нижнього шару або радіаторів. Вони є одним із найефективніших способів зниження вертикального теплового опору.
Інженерні ключові моменти:
Кількість має більше значення, ніж діаметр одного отвору. Кілька маленьких отворів перевершують один великий отвір. Типова реалізація: отвори діаметром 0,3–0,5 мм, розташовані масивами з кроком 1,0–1,5 мм під термопрокладками.
Запобігайте просочуванню припою: переходи, що потрапляють безпосередньо на колодки, можуть відтягнути припій. Для масового виробництва використовуйте VIPPO (Via-in-Pad Plated-Over) із заповненням отвору та мідною кришкою.
Поєднайте теплові отвори з твердим внутрішнім шаром заземлення або площинами живлення, щоб створити тривимірну структуру розсіювання тепла, яка поєднує в собі отвори та площини.
Для пристроїв із споживаною потужністю понад 5 Вт використовуйте принаймні 9 теплових отворів і підтверджуйте результати за допомогою теплового моделювання.
3. Термічна прокладка та відкрита прокладка (EPAD)
Основний принцип: Такі корпуси, як QFN, DFN і SOIC‑EP, мають оголену металеву пластину знизу, безпосередньо з’єднану з матрицею мікросхеми. Відповідна мідна площадка, розроблена на друкованій платі, дозволяє теплу виходити з задньої сторони мікросхеми, а не лише через компонентні кабелі.
Інженерні ключові моменти:
Розміри PCB EPAD повинні відповідати рекомендаціям таблиці даних, зазвичай трохи більші (поле 0,1–0,25 мм з кожного боку), ніж відкрита панель для упаковки.
Проведіть EPAD до великих мідних площин нижнього або внутрішнього шару через масиви теплових переходів; лише мідь верхнього шару забезпечує обмежені можливості охолодження.
Створіть трафарет із кількома невеликими отворами (замість однієї суцільної великої апертури) поверх EPAD, щоб контролювати об’єм паяльної пасти та запобігати плаванню компонентів або перемиканню.
Добре реалізований EPAD може досягти термічного опору лише 1–2 градуси/Вт, забезпечуючи високу економічну ефективність для теплового дизайну.
4. PCB з металевим сердечником (MCPCB / PCB на алюмінієвій основі)
Основний принцип: Стандартні підкладки FR‑4 мають низьку теплопровідність. MCPCB використовує алюміній або мідь як сердечник з тонким теплопровідним шаром діелектрика (50-100 мкм). Його загальна теплопровідність досягає 1-8 Вт/(м·K), що в рази перевищує FR-4. Тепло передається від прокладок компонентів через шар діелектрика до металевого сердечника, а потім до корпусу.
Інженерні ключові моменти:
Типові області застосування: світлодіодне освітлення високої потужності, автомобільна електроніка, силові модулі. Контроль температури спаю світлодіодів значною мірою залежить від друкованих плат на основі алюмінію.
Шар діелектрика є основним тепловим вузьким місцем. Надайте перевагу діелектричній теплопровідності, а не зосереджуйтеся лише на основному металі під час вибору компонентів.
Вища вартість, ніж FR‑4. Потрібна комплексна обробка завдяки провідному металевому сердечнику; багатошаровий MCPCB є технічно складним.
Альтернатива: часткова мідна монета/мідна вставка, вбудована всередину плат FR‑4 для збалансованої вартості та теплових характеристик.
5. Зовнішні радіатори та матеріали для термоінтерфейсу (TIM)
Основний принцип: Коли внутрішнє розсіювання тепла друкованої плати досягає межі, тепло потрібно передати до більших зовнішніх радіаторів. Компоненти, що генерують тепло, або мідь на задній частині друкованої плати контактують із радіаторами через TIM, заповнюючи мікроскопічні проміжки та витісняючи повітря (теплопровідність повітря ~0,026 Вт/(м·К), поганий теплопровідник).
| Тип | Теплопровідність | Товщина | Сценарії застосування |
|---|---|---|---|
| Термопаста | 2‑8 W/(m·K) | Дуже тонкий (<0.1 mm) | IGBT, процесор; додатки, що дозволяють повторне складання з контрольованим тиском |
| Thermal Gap Pad | 1‑6 W/(m·K) | 0,5-5 мм | Компенсація перепаду висоти, електроізоляція, амортизація |
| Двокомпонентний термоклей | 1‑3 W/(m·K) | Залежить від програми | Сценарії, що вимагають як теплового контакту, так і механічного з’єднання |
| Фазовий матеріал | 3‑6 W/(m·K) | 0,1-0,25 мм | Розплавляється при високій температурі для заповнення щілин, хороша довгострокова надійність |
6. Оптимізація компонування компонентів і дизайн повітроводів
Основний принцип: попередні п’ять методів зосереджені на теплопровідності. Зрештою, тепло має розсіюватися в навколишнє середовище через конвекцію та випромінювання. Правильне розташування та дизайн повітряного потоку можуть суттєво зменшити тепловий опір системи без додаткових витрат на специфікацію.
Резюме: системне мислення для теплового проектування
Тепловий дизайн друкованої плати — це не просто набір окремих прийомів, а систематична оптимізація по всьому ланцюжку термостійкості:
Chip Junction → Package → Solder Pad → PCB Copper → Vias / Metal Core → Heat Sink → Ambient Environment
Термостійкість кожного сегмента потребує кількісної оцінки. Рекомендований робочий процес:
Оцініть споживання електроенергії та максимально допустиму температуру з’єднання для кожного теплогенеруючого пристрою.
Обчисліть допустимий загальний термічний опір: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Розподіліть бюджет теплового опору для корпусу, друкованої плати та радіатора та визначте вузькі місця.
Комбінуйте вищезазначені методи. EPAD плюс теплові переходи плюс велика мідь нижнього шару пропонують найбільш економічно ефективну базову лінію. Додайте радіатори або металеві плати для сценаріїв високої потужності.
Перевірка за допомогою теплового моделювання (FloTHERM, ANSYS Icepak тощо) і калібрування за допомогою вимірювань інфрачервоного теплового зображення.
