PCB Tasarımında Termal Via ve Isı Emiciler Birlikte Nasıl Çalışır?
Termal via'lar ve soğutucular, ısı üreten bileşenden PCB'nin bakır katmanları boyunca ve soğutucu aracılığıyla ortam havasına düşük dirençli bir termal yol oluşturarak birlikte çalışır. Tipik olarak 0,2 mm ila 0,3 mm çapındaki via'lar, ısıyı kart boyunca dikey olarak bir termal pede veya şasiye monte soğutucuya iletirken, soğutucunun yüzey alanı (cm²/watt cinsinden ölçülür) bu ısıyı konveksiyonla dağıtır. 2,5 W güç harcayan tipik bir güç bileşeni için, pedin altındaki 9 termal via'dan oluşan bir dizi, uygun boyutlandırılmış bir alüminyum soğutucu ile eşleştirildiğinde eklemden ortama termal direnci 60 K/W'tan 25 K/W'ın altına düşürebilir.
Termal Via Dizisinin Termal Direnç Rolü Nedir?
35 µm bakır kaplamalı 1,6 mm kalınlığındaki bir FR-4 kart için tek bir termal via'nın termal direnci yaklaşık 60 ila 80 K/W'tır. Ancak, 5 mm x 5 mm'lik bir bileşen pedinin altına 4x4 ızgara şeklinde 16 via yerleştirdiğinizde, yalnızca via dizisi için paralel termal direnç yaklaşık 4 ila 6 K/W'a düşer. Bu hesaplama, standart 0,3 mm matkap çapı, 25 µm kaplanmış bakır duvar kalınlığı ve doldurulmuş veya doldurulmamış via'ları varsayar; doldurulmamış via'lar, hapsolmuş havanın düşük termal iletkenliği (bakır için 385 W/m·K'ye karşılık 0,026 W/m·K) nedeniyle bakır dolgulu via'lardan %20 ila %30 daha az verimlidir.
Via'nın termal performansı ayrıca bakır kaplama kalınlığına da bağlıdır. Standart PCB üretimi delikte 18 µm ila 35 µm kaplama sağlar, ancak yüksek güçlü uygulamalar için 50 µm kaplama belirtmek via termal direncini ek %25 azaltabilir. 20 mm x 20 mm termal ped üzerindeki 20 W'lık bir güç MOSFET'i için, 50 °C ortam sıcaklığında eklem sıcaklığını 125 °C'nin altında tutmak için 10 K/W'lık bir soğutucu varsayılarak minimum 36 via gerekir.
Soğutucu Bağlantı Yöntemi PCB Termal Performansını Nasıl Etkiler?
Bağlantı yöntemi, PCB ile soğutucu arasındaki termal arayüz direncini belirler. Termal gres (2 W/m·K) ile çıplak metal-metal teması 0,5 ila 1,0 K·cm²/W termal direnç sağlarken, termal olarak iletken yapışkan ped (1,5 W/m·K, 0,2 mm kalınlık) 1,5 ila 2,5 K·cm²/W verir. Yaylı klips ile vidalı montaj, arayüzü 0,8 K·cm²/W'ın altında tutmak için gerekli olan tipik olarak 10 ila 15 psi'lik en tutarlı basıncı sağlar.
36 termal via'ya ve 40 mm x 40 mm soğutucuya sahip bir PCB için, vidalı montaj, yapışkan bant bağlantısına kıyasla toplam eklemden ortama direnci %12 azaltır. Termal via'lar doğrudan soğutucu ayak izinin altına yerleştirilmelidir; via'lar bileşen pedi merkezinden 3 mm'den fazla kaydırılırsa, yanal bakır yayılma direnci 5 ila 8 K/W ekler ve soğutucunun faydasını ortadan kaldırır. Üretimde, soğutucu tabanıyla birebir eşleşen lehim maskesi katmanında bir termal ped öneriyoruz ve yeniden akış sırasında lehimin emilmesini önlemek için via'ların alt tarafı kapatılmalıdır.
PCB'lerde Isı Yayılımı İçin Bakır Kalınlığı Neden Kritiktir?
Standart 1 oz bakır (35 µm), 10 mm x 10 mm'lik bir alan için kare başına yaklaşık 70 K/W yanal termal yayılma direncine sahiptir. 2 oz bakıra (70 µm) iki katına çıkarmak bu yayılma direncini kare başına 35 K/W'a düşürür; bu, ısıyı 3 mm x 3 mm'lik bir bileşen pedinden daha büyük bir via dizisine veya soğutucu ayak izine aktarmak için çok önemlidir. 10 W harcayan bir tasarım için, 1 oz ve 2 oz bakır arasındaki fark, aynı hava akışında 15 °C daha düşük eklem sıcaklığı anlamına gelebilir.
İlişki doğrusaldır: eklenen her bir ons bakır (35 µm), belirli bir kart alanı için yanal termal direnci yaklaşık %50 azaltır. Ancak, daha kalın bakır PCB maliyetini katman başına %15 ila %20 artırır ve 0,15 mm'nin altındaki ince hatlı izler için dağlama alttan kesme sorunlarına neden olabilir. Çoğu termal tasarım için, hem dış katmanlarda 2 oz bakır hem de iç katmanlarda 1 oz bakır belirtiyoruz; bu, termal performans (30 ila 40 K/W yayılma direnci) ile 5 ila 7 günlük standart teslim sürelerinde üretilebilirlik arasında iyi bir denge sağlar.
Bakır Dolgulu ve Doldurulmamış Termal Via'lar Ne Zaman Kullanılmalıdır?
Isı akısı 0,5 W/mm²'yi aştığında veya eklemden kasaya direncin 1,5 K/W'ın altında kalması gerektiğinde bakır dolgulu via'lar kullanın. Deliği tamamen doldurmak için elektrolitik bakır kullanan bakır dolgulu via'lar, via ekseni boyunca 300 ila 380 W/m·K termal iletkenliğe sahiptir; ince kaplamalı doldurulmamış via'lar için bu değer 50 ila 80 W/m·K'dir. Maliyet farkı önemlidir: bakır dolgusu, yüksek hacimli üretim için via başına $0,02 ila $0,05 eklerken, doldurulmamış via'lar standart delme ve kaplama sürecinin ötesinde pratik olarak hiçbir ek maliyet gerektirmez.
Isı akısı 0,3 W/mm²'nin altında olan tasarımlar için, özellikle kartın karşı tarafında katı bir bakır düzlemi varsa, 35 µm kaplamalı doldurulmamış via'lar yeterlidir. 100 parçanın altındaki prototip çalışmaları için doldurulmamış via'ları öneriyoruz çünkü yeniden işlenmeleri ve incelenmeleri daha kolaydır. 85 °C eklem sıcaklığının üzerinde sürekli çalışma ile 1.000 parçanın üzerindeki üretim hacimleri için, 5.000 ila 10.000 döngüden sonra ince kaplamayı çatlatabilen termal çevrim yorulmasını önlemek için bakır dolgulu via'lar zorunludur.
Hangi PCB Katman Dizilimi En İyi Termal Performansı Sağlar?
Üst bileşen pedini dahili 2 oz bakır toprak düzlemine bağlayan termal via'lara sahip 4 katmanlı bir kart, en iyi maliyet-performans oranını verir. Dahili düzlem, via'lar ısıyı alt soğutucuya aktarmadan önce ısıyı yanal olarak dağıtan bir ısı yayıcı görevi görür. 0,5 mm aralıklı 0,2 mm via'lara sahip bu dizilim, bileşen pedinden alt düzleme 3,5 K/W termal direnç elde eder; bu, aynı via sayısına sahip 2 katmanlı bir karttan %40 daha iyidir.
30 W'ın üzerindeki aşırı termal yükler için, 6x6 via dizisiyle bağlanan iki özel termal düzleme (katman 2 ve 5) sahip 6 katmanlı bir kart, termal direnci 1,8 K/W'a düşürür. Ek katmanlar, kart başına üretim maliyetine $8 ila $12 ekler ancak daha büyük bir soğutucu ihtiyacını ortadan kaldırır; bu da montajda birim başına $2 ila $5 tasarruf sağlayabilir. Deneyimlerimize göre, optimum via aralığı 0,6 mm ila 0,8 mm'dir; 0,5 mm'nin altındaki aralıklar matkap kırılma oranlarının %0,1'den %2'ye çıkmasına neden olur ve 1,0 mm'nin üzerindeki aralıklar orantılı termal fayda sağlamadan kart alanı israf eder.
Belirli Bir Güç Dağılımı İçin Termal Via Sayısını Nasıl Hesaplarsınız?
Gerekli via sayısı şu kuralı izler: toplam gücü (watt cinsinden) doldurulmamış via'lar için via başına 0,5 W'a veya bakır dolgulu via'lar için via başına 1,2 W'a bölün, ardından 1,3'lük bir güvenlik faktörüyle çarpın. Örneğin, 15 W'lık bir güç amplifikatörü 30 doldurulmamış via (15 / 0,5 x 1,3) veya 16 bakır dolgulu via (15 / 1,2 x 1,3) gerektirir. Bu hesaplama, maksimum izin verilen eklem sıcaklığının 125 °C, ortam sıcaklığının 50 °C ve 8 K/W termal dirence sahip bir soğutucu olduğunu varsayar.
Daha hassas bir hesaplama için şu formülü kullanın: Via sayısı = (Güç x Via Başına Termal Direnç) / (Hedef Eklemden Ortama Direnç - Soğutucu Direnci). 5 K/W hedef eklemden ortama direnç, 3 K/W soğutucu ve her biri 60 K/W via direnci ile 30 via gerekir (60 / 2 = 30). Üretim toleransları için her zaman %20 ekstra via ekleyin, çünkü matkap hizalama hatası etkin bakır alanını %10 ila %15 azaltabilir.
| Parametre | Doldurulmamış Via (0,3 mm) | Bakır Dolgulu Via (0,3 mm) | Katı Bakır Düzlem |
| Termal İletkenlik (W/m·K) | 50-80 | 300-380 | 385 |
| Via Başına Termal Direnç (K/W) | 60-80 | 15-25 | N/A (mm² başına) |
| Maksimum Isı Akısı (W/mm²) | 0,3 | 0,8 | 2,0 |
| Via Başına Maliyet (USD, yüksek hacim) | $0,005 | $0,03 | N/A |
| Önerilen Via Aralığı (mm) | 0,8-1,0 | 0,6-0,8 | N/A |
| Teslim Süresi Etkisi | Yok | +2 gün | Yok |
Termal Via Kullanılmadığında Yaygın Arıza Modları Nelerdir?
Termal via'lar olmadan, bir güç bileşeninden gelen ısı, kare başına 70 ila 100 K/W yayılma direncine sahip bakır ped boyunca yanal olarak hareket etmelidir. Bu, eklem sıcaklığının kasa sıcaklığının 30 °C ila 50 °C üzerine çıkmasına neden olarak erken lehim bağlantısı yorulmasına yol açar. Hızlandırılmış ömür testlerinde, via'sız kartlar 1.200 termal döngüden (-40 °C ila 125 °C) sonra arızalanırken, 25 doldurulmamış via'ya sahip kartlar 3.500 döngü boyunca arızasız dayanmıştır.
Diğer bir arıza modu, FR-4 cam geçiş sıcaklığına (130 °C ila 140 °C) lokal olarak aşıldığında meydana gelen PCB delaminasyonudur. Via'sız 10 mm x 10 mm'lik bir ped üzerindeki 10 W'lık bir bileşen, ped merkezinde 150 °C'lik bir sıcak nokta oluşturabilir ve 500 saat sonra bakırın alt tabakadan soyulmasına neden olabilir. Termal via'lar sıcak nokta sıcaklığını 40 °C ila 60 °C azaltarak kartı cam geçiş sıcaklığının altında tutar ve tam yükte ömrü 10.000 saatin üzerine çıkarır.
SSS
Termal Uygulamalar İçin Minimum Via Çapı Nedir?
Standart PCB üretimi için minimum pratik via çapı 0,2 mm'dir, ancak termal via'lar için 0,3 mm öneriyoruz çünkü daha küçük matkaplar daha yüksek kırılma oranlarına sahiptir ve daha ince bakır kaplama üretir. 0,2 mm'lik bir via, 0,3 mm'lik bir via'dan %30 daha az kesitsel bakır alanına sahiptir ve bu da termal direnci %40 artırır. 10.000 kartın üzerindeki yüksek hacimli üretim için 0,3 mm, güvenilirlik açısından endüstri standardıdır.
Standart Bir SMD Pedinin Altına Kaç Termal Via Sığabilir?
5 mm x 5 mm'lik bir SMD pedi için, 0,6 mm aralıkta maksimum 25 via sığdırabilirsiniz, ancak her deliğin etrafında yeterli bakır halka sağlamak için 0,8 mm aralıkta 16 via öneriyoruz. Via pedi, 0,3 mm'lik bir delik için 0,5 mm çapında olmalıdır; bu, 0,8 mm aralıkta bitişik via pedleri arasında 0,15 mm'lik bir köprü bırakır. Bu konfigürasyon, dizi için 4 K/W termal direnç sağlarken mekanik mukavemeti korur.
Termal Via'lar Lehim Bağlantılarını Etkilemeden Bir IC'nin Altına Yerleştirilebilir mi?
Evet, ancak lehimin IC pedinden uzaklaşmasını önlemek için via'ları bileşen tarafında lehim maskesiyle kapatmalısınız. Kapatılmış via kapağı, lehim bağlantısında boşlukları önlemek için deliği tamamen kaplamalıdır; tipik olarak via çapından 0,15 mm daha büyük olmalıdır. QFN paketleri gibi alt terminalli bileşenler için, lehim pastası baskısı için düz bir yüzey sağlamak üzere doldurulmuş ve üzeri kaplanmış via'lar kullanın.
Standart FR-4 ile Alüminyum Alt Tabakaların Termal İletkenliği Nedir?
FR-4'ün termal iletkenliği 0,3 W/m·K'dir; bu, bakırdan 1.000 kat daha düşüktür, bu nedenle ısı alt tabaka yerine bakır katmanlardan iletilmelidir. Alüminyum alt tabakalar (IMS, yalıtımlı metal alt tabaka), 2 ila 4 W/m·K'lik bir dielektrik katmana ve 200 W/m·K'lik bir alüminyum tabana sahiptir ve 10 ila 20 kat daha iyi dikey ısı transferi sunar. Ancak, IMS kartları standart FR-4'ten 3 ila 5 kat daha pahalıdır, bu nedenle yalnızca 1 W/mm²'nin üzerindeki güç yoğunlukları için haklı çıkarılırlar.
Hem Termal Via Hem de Soğutucu Ne Zaman Kullanılmalıdır?
Toplam güç dağılımı 5 W'ı aştığında ve PCB alanı sınırlı olduğunda ikisini birden kullanmalısınız. Via'lar, bileşenden soğutucu montaj noktasına termal direnci azaltırken, soğutucu konveksiyon için gerekli yüzey alanını sağlar. Via'lar olmadan, soğutucu %30 ila %50 daha az ısı alır ve bu da onu etkisiz kılar. 15 W'lık bir tasarım için, 25 via ve 50 mm x 50 mm'lik bir soğutucu kombinasyonu, tek başına hiçbir elemanla imkansız olan 3,5 K/W'lık bir eklemden ortama direnç elde eder.
Hava Akışı Yönü Termal Via ve Soğutucu Performansını Nasıl Etkiler?
Soğutucu kanatçıklarına dik hava akışı, sınır tabakasını bozduğu için paralel hava akışından %20 ila %30 daha iyi ısı transferi sağlar. Termal via'ların kendileri hava akışından doğrudan etkilenmez, ancak soğutucunun ana hava akımında olacağı şekilde konumlandırılmalıdırlar. Doğal konveksiyon için, baca etkisini desteklemek amacıyla soğutucu kanatç
