SMD Parçalar için Termal Via'lar ve PCB Isı Yayılımı
Kısa cevap: Pratik bir SMD termal yığını, termal pedin altında 1,0-1,2 mm adımda 2 x 2 ila 4 x 4'lük 0,3 mm kaplamalı via dizisi kullanır ve en az 2-4 bakır katmanına 1 oz (35 µm) veya 2 oz (70 µm) bakır ile bağlanır. Bu, durgun havada via çifti başına yaklaşık 20-40 K/W sağlar, yani yirmi via toplamda 1-3 K/W'a yaklaşır. PCB daha sonra 0,1-0,3 mm arayüz katmanıyla yapıştırılmış bir soğutucuya ısı verir. BQUQ, bu ısıyı alan alüminyum veya bakır soğutucuyu işler ve damgalar ve 12 iş saatinde fiyat teklifi verir.
Çoğu SMD termal sorunu bileşende çözülmez. Doğrudan altındaki 3 mm malzemede çözülür. Bir QFN, DFN paketindeki bir güç MOSFET'i veya yüksek parlaklıkta bir LED, ısıyı genellikle 5 mm x 5 mm'den küçük olan bir lehim pedine boşaltır. Bu pedin gidecek yeri yoktur, PCB önce bir ısı yayıcı ve ikinci olarak bir kablolama alt tabakası olarak tasarlanmadıkça.
Bu makale, kalıptan ortama termal yolu kapsar: via geometrisi, bakır yayılımı, arayüz seçimi ve mekanik soğutucunun elektrik ve termal tasarımın gerçekten bağlanması için nasıl belirlendiği.
Isı yayılımı neden ham soğutucu boyutundan daha önemlidir?
Çünkü darboğaz neredeyse hiçbir zaman kanatçık alanı değildir. Küçük bir kalıp ile büyük bir soğutucu arasındaki daralma direncidir.
5 mm x 5 mm'lik 3 W harcayan bir güç paketi düşünün. Bu ısı 100 mm x 100 mm'lik bir soğutucuya 25 mm²'lik bir temas yamasından girerse, taban plakası içindeki yayılma direnci baskın olur. Soğutucu serbest konveksiyonda 1,5 °C/W olarak derecelendirilmiş olabilir, ancak etkin sistem direnci 8-12 °C/W olabilir çünkü ısı kanatçıklara ulaşmadan önce yanal olarak yayılmaz.
Çözüm katmanlı bir yaklaşımdır:
1. Bileşenden pede — alanca %10'un altında lehim boşluğu, X-ray ile doğrulanır.
2. Pedden iç bakıra — sadece tek bir bağlantı değil, termal via'lar.
3. İç bakırdan kart yüzeyine — mevcut her katmanda bakır dökümler, birbirine dikilmiş.
4. Karttan soğutucuya — kontrollü kalınlıkta arayüz, termal ped, yapıştırıcı veya işlenmiş bir kaide.
5. Soğutucudan havaya — hava akışı rejimine uygun kanatçık geometrisi.
Adım 2 ve 3, mühendislerin en sık eksik inşa ettiği adımlardır çünkü şematikte görünmezler.
Gerçekte kaç termal via'ya ihtiyacınız var?
Evrensel bir sayı yoktur, ancak savunulabilir bir başlangıç aralığı vardır. Via termal direnci, namlu kaplama kalınlığına, delme çapına, kart kalınlığına ve via'nın doldurulmuş veya açık olmasına bağlıdır.
Aşağıdaki tablo, namluda 25 µm bakır kaplamalı 1,6 mm FR-4 kart için gösterge değerler verir. Bunları veri sayfası rakamları olarak değil, tasarım kılavuzu olarak değerlendirin.
| Via konfigürasyonu | Via başına yaklaşık direnç | 16 via dizisi (paralel) | Notlar |
|---|---|---|---|
| 0,2 mm delik, açık namlu | 55-75 K/W | 3,4-4,7 K/W | En yüksek direnç, en ucuz |
| 0,3 mm delik, açık namlu | 35-50 K/W | 2,2-3,1 K/W | Yaygın varsayılan |
| 0,3 mm delik, doldurulmuş + kapaklı | 25-35 K/W | 1,6-2,2 K/W | Macun baskısı için daha iyi |
| 0,5 mm delik, açık namlu | 20-30 K/W | 1,3-1,9 K/W | Ped alanını boşa harcar |
| 0,3 mm, 2 oz kaplama | 18-26 K/W | 1,1-1,6 K/W | En iyi pratik seçenek |
Çoğu tasarımda geçerli olan birkaç pratik kural:
- 1,0-1,2 mm adımda 0,3 mm delik iş atıdır. Direnci, macun şablonu bütünlüğünü ve üretilebilirliği dengeler.
- Termal pedin içinde kalın. Ped ayak izinin dışına yerleştirilen via'lar kalıptaki daralma direncini azaltmaz.
- Üst tarafı örtün veya doldurun. Açık via'lar reflow sırasında lehim macununu emer ve boşluklar oluşturur. Doldurulmuş ve kapaklı via'ları karşılayamıyorsanız, üst tarafı örtün ve gaz çıkışı için alt tarafı açık bırakın.
- 5 mm'lik bir pedin altında yaklaşık 25'ten fazla via azalan getiri sağlar; o zaman via sayısıyla değil, bakır yayılımıyla sınırlısınız.
Yığma etkisi
Via'lar yalnızca diğer tarafta bakıra denk gelirse yardımcı olur. 2 mm²'lik bir ada üzerinde bir iç katmanda sonlanan bir via neredeyse işe yaramaz. Her via, en az 100 mm² sürekli bakıra sahip bir düzleme veya döküme bağlanmalıdır, ideal olarak iki veya daha fazla katmanda, dökümün çevresi boyunca ek via'larla dikilmelidir.
Bakır ne kadar kalın olmalı?
Bakır kalınlığı yanal yayılma direncini belirler. 1 oz katman, ısıyı 0,5 oz'dan belirgin şekilde daha iyi yayar ve 2 oz, yüksek güçlü kartlar için yine bir kademe değişikliğidir.
| Bakır ağırlığı | Kalınlık | Tipik kullanım | Yayılma faydası |
|---|---|---|---|
| 0,5 oz | 17 µm | Sinyal ağırlıklı kartlar | >1 W için zayıf |
| 1 oz | 35 µm | Standart güç kartları | Cihaz başına ~2-3 W'a kadar yeterli |
| 2 oz | 70 µm | LED dizileri, motor sürücüleri | Cihaz başına ~5 W'a kadar iyi |
| 3 oz+ | 105 µm+ | IGBT, yoğun LED | Daha geniş iz/boşluk kuralları gerektirir |
Tipik bir 1 W SMD parça için, cihazın altında ve çevresinde 400-600 mm² bakır dökümlü 1 oz kart, 25 °C ortam sıcaklığında bağlantıyı sınırlar içinde tutmak için genellikle yeterlidir. 3 W ve üzeri için 2 oz'a geçin veya metal çekirdekli ya da alüminyum destekli bir alt tabaka ekleyin.
Bir uyarı: kalın bakır, dağlama kabiliyetinizi değiştirir. 2 oz ve üzerinde, minimum iz genişliği ve boşluk tipik olarak genişler, bu da yönlendirme yoğunluğunu etkiler. Yığın planını düzenlemeden önce planlayın, sonra değil.
PCB'yi bir soğutucuya nasıl bağlarsınız?
İşte burada termal tasarım mekanik bir soruna dönüşür ve birçok projenin kazanımlarını kaybettiği yer burasıdır. Kötü yapıştırılmış bir soğutucuyu besleyen mükemmel bir via dizisi boşa harcanmış bir çabadır.
Üç yaygın bağlantı yolu vardır:
Termal arayüz pedi veya boşluk dolgusu
Genellikle 0,5-2,0 mm kalınlığında, silikon boşluk dolguları için 1-6 W/m·K aralığında termal iletkenliğe sahip ve özel malzemeler için daha yüksek olan önceden kesilmiş bir ped. Toleransları karşılar, yeniden işlenebilir ve kürleme gerektirmez. Dezavantajı, genellikle 25 mm x 25 mm alan için mütevazı basınçta 1-3 °C/W olan nispeten yüksek arayüz direncidir.
Doğru malzemeyi seçmek başlı başına bir egzersizdir — ödünleşimleri termal arayüz seçimi kılavuzumuzda ele alıyoruz.
Termal yapıştırıcı
Yapıştırıcılar 1-3 W/m·K'e ulaşabilir ve genellikle 0,1-0,2 mm olan daha ince bir bağ hattı sağlar. Kalıcıdırlar, bu da yeniden işleme için önemlidir. Ürününüz saha onarımı gerektiriyorsa, bunu planlayın — bkz. soğutucu yeniden işleme ve onarım.
İşlenmiş kaide teması
Termal olarak en verimli seçenek, PCB ile doğrudan temas eden, yalnızca kaide yüzünde ince bir arayüz katmanı olan işlenmiş bir kaideye sahip bir soğutucudur. Bu, düzlüğü ve yüksekliği hassas şekilde kontrol etmenizi sağlar. BQUQ, bu kaideleri CNC işlenmiş soğutucularda kritik boyutlarda ±0,005 mm'ye kadar işler, bu da ped boyunca bağ hattını tekdüze tutar.
Tekdüze bir bağ hattı, marjinal olarak daha iyi bir arayüz malzemesinden daha değerlidir. 25 mm'lik bir ped boyunca 0,05 mm'den 0,4 mm'ye değişen 0,1 mm'lik bir bağ hattı, ince uçta bir sıcak nokta ve kalın uçta dirençli bir bölge oluşturur.
Via beslemeli bir SMD kartına hangi soğutucu geometrisi uygundur?
Isı soğutucu tabanına ulaştığında, tasarım sorunu kanatçık geometrisine ve hava akışına kayar. İki parametre baskındır:
- Kanatçık aralığı — çok dar olursa sınır katmanları birleşir ve konveksiyonu öldürür. Çok geniş olursa hacmi boşa harcarsınız. Doğal konveksiyon için tipik olarak 6-10 mm boşluklar; zorlamalı hava için 2-4 mm. Hesaplamayı doğal konveksiyon kanatçık aralığı bölümünde ayrıntılı olarak ele alıyoruz.
- Taban kalınlığı — ısıyı kanatçıklara ulaşmadan önce yanal olarak yaymak için yeterince kalın olmalıdır. 100 mm'lik bir soğutucuda 25 mm x 25 mm'lik bir ısı kaynağı için 5-8 mm'lik bir taban makul bir başlangıç noktasıdır. Daha ince tabanlar ağırlıktan tasarruf sağlar ancak daralma direncini yeniden getirir.
Tek baskın ısı kaynağına sahip SMD kartlar için, kalın tabanlı ve orta sayıda kanatçıklı ekstrüde bir profil genellikle büyük, ince tabanlı bir soğutucuyu yener. Dağıtılmış kaynaklar için — LED dizileri, çok raylı güç aşamaları — daha düz bir taban, daha yoğun kanatçıklar ve zorlamalı hava daha etkilidir.
BQUQ tüm bu formatlarda soğutucular üretir: ekstrüde profiller, damgalanmış ve yapıştırılmış montajlar, skived kanatçık, döküm ve işlenmiş kaideler ile montaj özelliklerine sahip CNC işlenmiş varyantlar. Tam aralık soğutucular altında listelenmiştir ve kaide açısından kritik parçalar CNC işlenmiş soğutucular altında ele alınmıştır.
Via beslemeli SMD termal yığını için tasarım kontrol listesi
| Adım | Hedef | Yaygın hata |
|---|---|---|
| Ped altında lehim boşluğu | <%10 alan | Macun hacmi çok düşük, açık via'lar emiyor |
| Via sayısı ve adımı | 16-25 via, 0,3 mm, 1,0-1,2 mm adım | Via'lar pedin dışına yerleştirilmiş |
| Via sonlandırma | 2+ katmanda düzlem | Via izole bir adaya denk geliyor |
| Bakır ağırlığı | Min 1 oz, >3 W için 2 oz | 2 W'lık parçada 0,5 oz |
| Bakır döküm alanı | Watt sınıfı başına 400-600 mm² | Döküm yönlendirme tarafından kırpılmış |
| Arayüz katmanı | 0,1-0,3 mm, tekdüze | Düzensiz kaide, kalın ped |
| Soğutucu tabanı | 25 mm kaynak için 5-8 mm | İnce taban, yüksek daralma |
| Kanatçık aralığı | Hava akışı moduna uygun | Fan kanalında doğal konveksiyon aralığı |
Sıkça Sorulan Sorular
S: QFN altında termal via'ları doldurmadan kullanabilir miyim?
C: Evet, ancak üst tarafı lehim maskesiyle örtün ve alt tarafı açık bırakın. Açık via'lar reflow sırasında macun emme yolları olarak işlev görür, bu da lehimi termal pedden uzaklaştırır ve boşluklar oluşturur. Şablon açıklığınız ve macun hacminiz sıkı kontrol ediliyorsa, açık via'lar düşük hacimli üretimler için uygundur. Birkaç bin adedin üzerindeki her şey için, doldurulmuş ve kapaklı via'lar daha tekrarlanabilir sonuçlar ve daha iyi termal performans verir.
S: Sadece daha fazla via kullanmaya kıyasla bir bakır döküm gerçekte ne kadar yardımcı olur?
C: Genellikle daha fazla yardımcı olur. Via'lar ısıyı dikey olarak taşır; bakır yanal olarak taşır. Küçük bir ada üzerinde sonlanan yoğun bir via dizisi yine de ısıyı yoğunlaştırır. Çevre via'larıyla dikilmiş iki katmanda 500 mm²'lik bir döküm, ısıyı kart boyunca yayar ve etkin kaynaktan soğutucuya direnci, pedin altındaki via sayısını ikiye katlamaktan çok daha fazla düşürür. Her ikisini de yapın, ancak dökümü ihmal etmeyin.
S: Bir SMD kartı için minimum pratik soğutucu taban kalınlığı nedir?
C: 25 mm x 25 mm'lik bir ısı kaynağı için 5 mm makul bir tabandır ve 3 W üzeri kaynaklar için 6-8 mm daha güvenlidir. 4 mm'nin altında, taban içindeki daralma direnci baskın olmaya başlar ve kanatçık alanı eklemek yardımcı olmayı durdurur. Ağırlık kritikse, alüminyum soğutucu tabanına yapıştırılmış bir bakır yayıcı plaka, sadece alüminyumu kalınlaştırmaktan gram başına daha iyi yayılma sağlar.
S: Via kaplama kalınlığı via çapı kadar önemli mi?
C: Küçük çaplarda çok önemlidir. 25 µm namlu kaplamalı 0,3 mm'lik bir via yaklaşık 35-50 K/W'dir; 50 µm kaplamalı aynı via yaklaşık 18-26 K/W'a düşer. Namlu kaplama kalınlığı kart üreticinizin prosesi tarafından belirlendiğinden, üretim çiziminde açıkça belirtin. Kontrol edemiyorsanız, kaplama kalınlığına güvenmek yerine daha fazla via kullanın.
S: Donanımı üretmeden önce termal yığınımın yeterli olup olmadığını nasıl anlarım?
C: Via dizisi, bakır ağırlığı ve döküm alanı açıkça modellenmiş bir termal simülasyon çalıştırın — toplu modeller daralma direncini gizler. Ardından gerçek soğutucu ve arayüz malzemesini içeren bir termal test kartıyla doğrulayın. Kasa sıcaklığını ve soğutucu taban sıcaklığını ayrı ayrı ölçün; fark, darboğazınızın arayüz mü yoksa soğutucu mu olduğunu söyler. Önce daha ucuz olanı ayarlayın.
İlgili Kaynaklar
- BQUQ ve Dongguan üretim hatlarımız hakkında: /about/
- Tam soğutucu ürün yelpazesi: /heat-sinks/
- Ekstrüde soğutucu profilleri: /extruded-heat-sinks/
- Termal yönetimde sektör trendleri: /industry-dynamics/
- Teknik makaleler kütüphanesi: /bquq-blog/
- Sıkça sorulan sorular: /faq/
- Vaka çalışmaları: /case/
- Mühendislik ekibiyle iletişime geçin: /contact/
BQUQ Mühendislik Ekibi tarafından yazılmıştır. BQUQ (Dongguan), tek bir ISO9001 fabrikasında CNC işleme (±0,005 mm), metal damgalama, özel yaylar ve soğutucu üretimi yürütür. Doğrudan Dongguan, Çin'den kaynak — 12 saat içinde teklif: sc@bquq.com | WhatsApp +86 13713157787 | www.bquq.com
