новости

Как работают тепловые переходные отверстия и радиаторы совместно в проектировании печатных плат?

Тепловые переходные отверстия и радиаторы работают совместно, создавая путь низкого теплового сопротивления от тепловыделяющего компонента через медные плоскости печатной платы в окружающий воздух через радиатор. Переходные отверстия, обычно диаметром от 0,2 мм до 0,3 мм, проводят тепло вертикально через плату к тепловой площадке или радиатору, закрепленному на корпусе, в то время как площадь поверхности радиатора (измеряемая в см² на ватт) рассеивает это тепло конвекцией. Для типового силового компонента, рассеивающего 2,5 Вт, массив из 9 тепловых переходных отверстий под площадкой может снизить тепловое сопротивление переход-окружающая среда с 60 К/Вт до значения ниже 25 К/Вт при использовании с правильно подобранным алюминиевым радиатором.

Какова роль теплового сопротивления массива тепловых переходных отверстий?

Одиночное тепловое переходное отверстие имеет тепловое сопротивление приблизительно от 60 до 80 К/Вт для платы FR-4 толщиной 1,6 мм с медным покрытием 35 мкм. Однако при размещении 16 отверстий в сетке 4x4 под площадкой компонента размером 5 мм x 5 мм параллельное тепловое сопротивление только для массива отверстий снижается примерно до 4–6 К/Вт. Этот расчет предполагает стандартный диаметр сверления 0,3 мм, толщину стенки гальванической меди 25 мкм, а также заполненные или незаполненные отверстия; незаполненные отверстия на 20–30% менее эффективны, чем заполненные медью, из-за низкой теплопроводности запертого воздуха (0,026 Вт/м·К против 385 Вт/м·К у меди).

Тепловые характеристики отверстия также зависят от толщины медного покрытия. Стандартное производство печатных плат обеспечивает покрытие от 18 мкм до 35 мкм в отверстии, но для мощных применений указание покрытия 50 мкм может снизить тепловое сопротивление отверстия еще на 25%. Для силового МОП-транзистора мощностью 20 Вт на тепловой площадке размером 20 мм x 20 мм требуется минимум 36 отверстий, чтобы температура перехода оставалась ниже 125 °C при температуре окружающей среды 50 °C, при условии радиатора с сопротивлением 10 К/Вт.

Как способ крепления радиатора влияет на тепловые характеристики печатной платы?

Способ крепления определяет тепловое сопротивление интерфейса между печатной платой и радиатором. Голый контакт металл-металл с термопастой (2 Вт/м·К) дает тепловое сопротивление от 0,5 до 1,0 К·см²/Вт, в то время как теплопроводная клеевая прокладка (1,5 Вт/м·К, толщиной 0,2 мм) дает от 1,5 до 2,5 К·см²/Вт. Винтовое крепление с пружинным зажимом обеспечивает наиболее постоянное давление, обычно от 10 до 15 фунтов на кв. дюйм, что необходимо для поддержания интерфейса ниже 0,8 К·см²/Вт.

Для печатной платы с 36 тепловыми переходными отверстиями и радиатором размером 40 мм x 40 мм винтовое крепление снижает общее сопротивление переход-окружающая среда на 12% по сравнению с креплением на клеевой ленте. Тепловые переходные отверстия должны располагаться непосредственно под зоной установки радиатора; если отверстия смещены более чем на 3 мм от центра площадки компонента, боковое сопротивление растекания меди добавляет от 5 до 8 К/Вт, сводя на нет преимущество радиатора. В производстве мы рекомендуем тепловую площадку на слое паяльной маски, точно соответствующую основанию радиатора, с отверстиями, замаскированными с нижней стороны, чтобы предотвратить вытягивание припоя во время оплавления.

Почему толщина меди критически важна для растекания тепла в печатных платах?

Стандартная медь 1 унция (35 мкм) имеет боковое тепловое сопротивление растеканию приблизительно 70 К/Вт на квадрат для площади 10 мм x 10 мм. Удвоение до меди 2 унции (70 мкм) снижает это сопротивление растеканию до 35 К/Вт на квадрат, что имеет решающее значение для передачи тепла от площадки компонента размером 3 мм x 3 мм к большему массиву отверстий или зоне установки радиатора. Для конструкции, рассеивающей 10 Вт, разница между медью 1 унция и 2 унции может означать температуру перехода на 15 °C ниже при том же воздушном потоке.

Зависимость линейна: каждая дополнительная унция меди (35 мкм) снижает боковое тепловое сопротивление примерно на 50% для данной площади платы. Однако более толстая медь увеличивает стоимость печатной платы на 15–20% за слой и может вызвать проблемы бокового подтравливания для мелкошаговых дорожек менее 0,15 мм. Для большинства тепловых конструкций мы указываем медь 2 унции на обоих внешних слоях и 1 унцию на внутренних плоскостях, что обеспечивает хороший баланс между тепловыми характеристиками (сопротивление растеканию от 30 до 40 К/Вт) и технологичностью при стандартных сроках изготовления от 5 до 7 дней.

Когда следует использовать тепловые переходные отверстия, заполненные медью, а не незаполненные?

Используйте заполненные медью отверстия, когда плотность теплового потока превышает 0,5 Вт/мм² или когда сопротивление переход-корпус должно оставаться ниже 1,5 К/Вт. Заполненные медью отверстия, в которых используется гальваническая медь для полного заполнения отверстия, имеют теплопроводность от 300 до 380 Вт/м·К вдоль оси отверстия по сравнению с 50–80 Вт/м·К для незаполненных отверстий с тонким покрытием. Разница в стоимости значительна: заполнение медью добавляет от $0,02 до $0,05 за отверстие при крупносерийном производстве, в то время как незаполненные отверстия практически не добавляют затрат сверх стандартного процесса сверления и металлизации.

Для конструкций с плотностью теплового потока ниже 0,3 Вт/мм² достаточно незаполненных отверстий с покрытием 35 мкм, особенно если на противоположной стороне платы имеется сплошная медная плоскость. Мы рекомендуем незаполненные отверстия для прототипных партий менее 100 штук, поскольку их легче дорабатывать и контролировать. Для серийного производства более 1000 штук с непрерывной работой при температуре перехода выше 85 °C заполненные медью отверстия обязательны для предотвращения усталости при термоциклировании, которая может привести к растрескиванию тонкого покрытия после 5000–10000 циклов.

Какая структура слоев печатной платы обеспечивает оптимальные тепловые характеристики?

Четырехслойная плата с тепловыми переходными отверстиями, соединяющими верхнюю площадку компонента с внутренней медной плоскостью заземления 2 унции, дает наилучшее соотношение цены и производительности. Внутренняя плоскость действует как распределитель тепла, распространяя его латерально до того, как отверстия передадут его на нижний радиатор. Эта структура с отверстиями 0,2 мм с шагом 0,5 мм достигает теплового сопротивления 3,5 К/Вт от площадки компонента до нижней плоскости, что на 40% лучше, чем у двухслойной платы с тем же количеством отверстий.

Для экстремальных тепловых нагрузок выше 30 Вт шестислойная плата с двумя выделенными тепловыми плоскостями (слои 2 и 5), соединенными массивом отверстий 6x6, снижает тепловое сопротивление до 1,8 К/Вт. Дополнительные слои добавляют от $8 до $12 за плату в стоимость изготовления, но устраняют необходимость в большем радиаторе, что может сэкономить от $2 до $5 за единицу при сборке. По нашему опыту, оптимальный шаг отверстий составляет от 0,6 мм до 0,8 мм; шаг менее 0,5 мм увеличивает частоту поломки сверл с 0,1% до 2%, а шаг более 1,0 мм занимает площадь платы без пропорциональной тепловой выгоды.

Как рассчитать количество тепловых переходных отверстий для заданной рассеиваемой мощности?

Необходимое количество отверстий определяется следующим правилом: разделите общую мощность (в ваттах) на 0,5 Вт на отверстие для незаполненных отверстий или на 1,2 Вт на отверстие для заполненных медью, затем умножьте на коэффициент запаса 1,3. Например, усилителю мощности 15 Вт требуется 30 незаполненных отверстий (15 / 0,5 x 1,3) или 16 заполненных медью отверстий (15 / 1,2 x 1,3). Этот расчет предполагает максимально допустимую температуру перехода 125 °C, температуру окружающей среды 50 °C и радиатор с тепловым сопротивлением 8 К/Вт.

Для более точного расчета используйте формулу: Количество отверстий = (Мощность x Тепловое сопротивление одного отверстия) / (Целевое сопротивление переход-окружающая среда - Сопротивление радиатора). При целевом сопротивлении переход-окружающая среда 5 К/Вт, радиаторе 3 К/Вт и сопротивлении отверстия 60 К/Вт каждое, вам нужно 30 отверстий (60 / 2 = 30). Всегда добавляйте 20% дополнительных отверстий на производственные допуски, так как смещение сверления может уменьшить эффективную площадь меди на 10–15%.

Каковы типичные виды отказов при отсутствии тепловых переходных отверстий?

Без тепловых переходных отверстий тепло от силового компонента должно распространяться латерально через медную площадку, которая имеет сопротивление растеканию от 70 до 100 К/Вт на квадрат. Это вызывает повышение температуры перехода на 30 °C–50 °C выше температуры корпуса, что приводит к преждевременной усталости паяных соединений. При ускоренных испытаниях на долговечность платы без отверстий выходили из строя после 1200 тепловых циклов (от -40 °C до 125 °C), в то время как платы с 25 незаполненными отверстиями выдерживали 3500 циклов без отказов.

Другой вид отказа — расслоение печатной платы, которое происходит при локальном превышении температуры стеклования FR-4 (130 °C–140 °C). Компонент мощностью 10 Вт на площадке 10 мм x 10 мм без отверстий может создать горячую точку 150 °C в центре площадки, вызывая отслоение меди от подложки через 500 часов. Тепловые переходные отверстия снижают температуру горячей точки на 40 °C–60 °C, удерживая плату ниже температуры стеклования и увеличивая срок службы до более чем 10 000 часов при полной нагрузке.

Часто задаваемые вопросы

Каков минимальный диаметр отверстия для тепловых применений?

Минимальный практический диаметр отверстия составляет 0,2 мм для стандартного производства печатных плат, но мы рекомендуем 0,3 мм для тепловых отверстий, поскольку сверла меньшего диаметра имеют более высокую частоту поломки и дают более тонкое медное покрытие. Отверстие 0,2 мм имеет на 30% меньшую площадь поперечного сечения меди, чем отверстие 0,3 мм, что увеличивает тепловое сопротивление на 40%. Для крупносерийного производства более 10 000 плат диаметр 0,3 мм является отраслевым стандартом надежности.

Сколько тепловых переходных отверстий можно разместить под стандартной SMD-площадкой?

Для SMD-площадки размером 5 мм x 5 мм можно разместить максимум 25 отверстий с шагом 0,6 мм, но мы рекомендуем 16 отверстий с шагом 0,8 мм для обеспечения достаточного медного кольца вокруг каждого отверстия. Контактная площадка отверстия должна быть диаметром 0,5 мм для отверстия 0,3 мм, что оставляет перемычку 0,15 мм между соседними контактными площадками отверстий при шаге 0,8 мм. Эта конфигурация сохраняет механическую прочность, обеспечивая тепловое сопротивление массива 4 К/Вт.

Можно ли размещать тепловые переходные отверстия под ИС, не влияя на паяные соединения?

Да, но необходимо замаскировать отверстия со стороны компонента паяльной маской, чтобы предотвратить вытягивание припоя с площадки ИС. Маска над отверстием должна полностью закрывать отверстие, обычно на 0,15 мм больше диаметра отверстия, чтобы избежать пустот в паяном соединении. Для компонентов с нижними выводами, таких как корпуса QFN, используйте заполненные и закрытые гальваническим покрытием отверстия для обеспечения плоской поверхности под трафаретную печать паяльной пасты.

Какова теплопроводность стандартного FR-4 по сравнению с алюминиевыми подложками?

FR-4 имеет теплопроводность 0,3 Вт/м·К, что в 1000 раз ниже, чем у меди, поэтому тепло должно проводиться через медные плоскости, а не через подложку. Алюминиевые подложки (IMS, изолированная металлическая подложка) имеют диэлектрический слой от 2 до 4 Вт/м·К и алюминиевое основание 200 Вт/м·К, что обеспечивает в 10–20 раз лучшую вертикальную передачу тепла. Однако платы IMS стоят в 3–5 раз дороже стандартного FR-4, поэтому они оправданы только для плотности мощности выше 1 Вт/мм².

Когда следует использовать и тепловые переходные отверстия, и радиатор?

Их следует использовать вместе, когда общая рассеиваемая мощность превышает 5 Вт, а площадь печатной платы ограничена. Переходные отверстия снижают тепловое сопротивление от компонента к точке крепления радиатора, в то время как радиатор обеспечивает необходимую площадь поверхности для конвекции. Без отверстий радиатор получает на 30–50% меньше тепла, что делает его неэффективным. Для конструкции мощностью 15 Вт комбинация 25 отверстий и радиатора размером 50 мм x 50 мм достигает сопротивления переход-окружающая среда 3,5 К/Вт, что невозможно ни с одним из элементов по отдельности.

Как направление воздушного потока влияет на характеристики тепловых переходных отверстий и радиатора?

Воздушный поток, перпендикулярный ребрам радиатора, обеспечивает на 20–30% лучшую передачу тепла, чем параллельный поток, поскольку он разрушает пограничный слой. Сами тепловые переходные отверстия напрямую не зависят от воздушного потока, но они должны быть расположены так, чтобы радиатор находился в основном потоке воздуха. При естественной конвекции ориентируйте ребра радиатора вертикально для создания эффекта тяги, что может снизить тепловое сопротивление на 15% по сравнению с горизонтальной ориентацией.

Какова разница в стоимости между стандартным и теплооптимизированным производством печатных плат?

Стандартная четырехслойная плата с медью 1 унция стоит приблизительно $0,08 за см², в то время как теплооптимизированная версия с медью 2 унции, отверстиями 0,3 мм и заполнением медью стоит $0,15 за см². Увеличение стоимости на 87% включает дополнительную медную металлизацию, заполнение отверстий и дополнительные технологические этапы. Для типовой платы площадью 100 см² это добавляет $7 за единицу, что компенсируется уменьшенной массой радиатора (экономия $2–$4) и повышенной надежностью (меньше отказов в полевых условиях).

Заключение и рекомендации

Для любой конструкции печатной платы, рассеивающей более 3 Вт в ограниченном пространстве, мы настоятельно рекомендуем интегрировать массив тепловых переходных отверстий (минимум 16 отверстий диаметром 0,3 мм с шагом 0,8 мм) с механическим креплением радиатора с использованием термопасты или материала с фазовым переходом. Эта комбинация обеспечивает наименьшую стоимость за ватт охлаждения, с типичной стоимостью системы от $0,50 до $1,50 за рассеиваемый ватт по сравнению с $2,00–$4,00 за ватт только для принудительного воздушного охлаждения. Наша инженерная команда в BQUQ имеет 20-летний опыт в управлении тепловыми режимами силовой электроники, и мы можем проверить ваши Gerber-файлы и данные теплового моделирования для оптимизации вашей конструкции перед производством. Мы предоставляем услугу расчета стоимости в течение 12 часов для сборок печатных плат и радиаторов, без минимального объема заказа для прототипов. Свяжитесь с нами по адресу sc@bquq.com или WhatsApp +86 13713157787, или посетите www.bquq.com для обсуждения ваших требований к тепловому проектированию.

Похожие Статьи

• Радиаторы для аккумуляторных блоков: предотвращение теплового разгона
• Как прикрепить радиатор без винтов: руководство по термоклею
• Терморегулирование для ярких светодиодов с радиаторами