1. Vara laukuma palielināšana un liela apgabala vara ieliešana
Pamatprincips: Vara siltumvadītspēja ir aptuveni 401 W/(m·K), kas ir tūkstošiem reižu lielāka nekā FR-4 substrātam (~0,3 W/(m·K)). Paplašinot vara folijas laukumu ap siltumu ģenerējošām sastāvdaļām, tiek izveidots lielāks šķērsgriezums siltuma izkliedēšanai un efektīvi samazināta savienojuma un apkārtējās vides termiskā pretestība.
Inženierzinātnes galvenie punkti:
Siltumintensīvu IC barošanas un zemējuma kontaktiem jābūt tieši savienotiem ar lielām vara plaknēm; izvairieties no šaurām pēdām, kas ierobežo siltuma plūsmu.
Ielejiet varu gan uz augšējā, gan apakšējā slāņa un termiski savienojiet tos caur caurumiem, lai panāktu līdzvērtīgu vara biezuma dubultošanu.
Lielāka vara ieliešana ne vienmēr nodrošina proporcionālu labumu. Termiskais pastiprinājums samazinās vairāk nekā 3–5 reizes par mikroshēmas izmēru. Līdzsvaro siltuma veiktspēju pret EMI un signāla integritāti.
BGA/QFN ierīcēm ar apakšējo termopaliktni uzturiet nepārtrauktu varu bez segmentācijas tieši zem mikroshēmas.
2. Thermal Vias Array
Pamatprincips: Ja komponenta termiskais spilventiņš atrodas uz augšējā slāņa, bet liela siltuma izkliede notiek apakšējos vai iekšējos slāņos, vertikālā termiskā pretestība dominē FR-4 dielektriķim. Siltuma caurumi veido vara kanālus pāri PCB slāņiem, ātri pārnesot siltumu no augšējās puses paliktņiem uz apakšējā slāņa vara vai siltuma izlietnēm. Tie ir viens no efektīvākajiem veidiem, kā samazināt vertikālo termisko pretestību.
Inženierzinātnes galvenie punkti:
Daudzumam ir lielāka nozīme nekā viena cauruma diametram. Vairāki mazi caurumi ir labāki par vienu lielu caureju. Tipisks risinājums: 0,3–0,5 mm diametra caurumi, kas sakārtoti masīvos ar 1,0–1,5 mm soli zem termiskiem spilventiņiem.
Novērsiet lodmetāla uzsūkšanos: caurumi, kas nonāk tieši uz spilventiņiem, var izvilkt lodmetālu. Masveida ražošanai izmantojiet VIPPO (Via-in-Pad Plated-Over) ar cauruļu pildījumu un vara vāciņu.
Savienojiet siltuma caurumus ar cieta iekšējā slāņa zemējuma vai barošanas plaknēm, lai izveidotu 3-D siltuma izkliedes struktūru, kas apvieno caurumus un plaknes.
Ierīcēm, kuru enerģijas patēriņš pārsniedz 5 W, izmantojiet vismaz 9 termiskās caurejas un apstipriniet rezultātus, izmantojot termisko simulāciju.
3. Termiskais paliktnis un atklātais paliktnis (EPAD)
Pamatprincips: Tādām pakotnēm kā QFN, DFN un SOIC-EP apakšā ir atklāts metālisks uzgalis, kas ir tieši savienots ar mikroshēmas veidni. Atbilstošs vara paliktnis, kas izveidots uz PCB, ļauj siltumam izplūst no mikroshēmas aizmugures, nevis tikai caur komponentu vadiem.
Inženierzinātnes galvenie punkti:
PCB EPAD izmēriem jāatbilst datu lapas ieteikumiem, parasti nedaudz lielākam (0,1–0,25 mm mala katrā pusē) nekā iepakojuma atklātais spilventiņš.
Novirziet EPAD uz apakšējām vai iekšējā slāņa lielām vara plaknēm caur termiskiem masīviem; augšējā slāņa varš vien nodrošina ierobežotu dzesēšanas spēju.
Dizaina trafarets ar vairākām mazām atverēm (vienas cietas lielas atveres vietā) virs EPAD, lai kontrolētu lodēšanas pastas tilpumu un novērstu komponentu peldēšanu vai tiltu veidošanos.
Labi ieviests EPAD var sasniegt pat 1–2 grādus /W, nodrošinot augstu izmaksu veiktspēju siltuma projektēšanai.
4. Metāla serdeņa PCB (MCPCB / alumīnija bāzes PCB)
Pamatprincips: Standarta FR-4 substrātiem ir slikta siltumvadītspēja. MCPCB izmanto alumīniju vai varu kā kodolu ar plānu siltumvadošu dielektrisko slāni (50–100 μm). Tā kopējā siltumvadītspēja sasniedz 1–8 W/(m·K), kas ir daudzkārt lielāka nekā FR-4. Siltums pāriet no komponentu spilventiņiem caur dielektrisko slāni uz metāla serdi, pēc tam uz korpusu.
Inženierzinātnes galvenie punkti:
Tipiski lietojumi: lieljaudas LED apgaismojums, automobiļu elektronika, jaudas moduļi. LED krustojuma temperatūras kontrole lielā mērā ir atkarīga no alumīnija bāzes PCB.
Dielektriskais slānis ir galvenais termiskais sašaurinājums. Detaļu atlases laikā dodiet priekšroku dielektriskajai siltumvadītspējai, nevis koncentrējieties tikai uz parastā metāla materiālu.
Augstākas izmaksas nekā FR-4. Nepieciešama sarežģīta apstrāde vadošā metāla serdeņa dēļ; daudzslāņu MCPCB ir tehniski izaicinājums.
Alternatīva: daļēja vara monēta / vara inkrustācija, kas iestrādāta FR-4 plātnēs, lai nodrošinātu līdzsvarotu izmaksu un siltuma veiktspēju.
5. Ārējās siltuma izlietnes un termiskās saskarnes materiāli (TIM)
Pamatprincips: Kad PCB iekšējā siltuma izkliede sasniedz robežas, siltums jānovada uz lielākām ārējām siltuma izlietnēm. Siltumu ģenerējošie komponenti vai aizmugures PCB varš saskaras ar siltuma izlietnēm, izmantojot TIM, aizpildot mikroskopiskas spraugas un izspiežot gaisu (gaisa siltumvadītspēja ~0,026 W/(m·K), slikts siltuma vadītājs).
| Tips | Siltumvadītspēja | Biezums | Lietojumprogrammu scenāriji |
|---|---|---|---|
| Termiskā smērviela | 2‑8 W/(m·K) | Ļoti plāns (<0.1 mm) | IGBT, centrālais procesors; lietojumprogrammas, kas nodrošina atkārtotu montāžu ar kontrolētu spiedienu |
| Thermal Gap Pad | 1‑6 W/(m·K) | 0,5-5 mm | Augstuma starpības kompensācija, elektriskā izolācija, triecienu absorbcija |
| Divkomponentu termiskā līme | 1‑3 W/(m·K) | Atkarīgs no lietojumprogrammas | Scenāriji, kuriem nepieciešams gan termiskais kontakts, gan mehāniskā savienošana |
| Materiāls fāzes maiņai | 3‑6 W/(m·K) | 0,1-0,25 mm | Kūst augstā temperatūrā spraugu aizpildīšanai, laba ilgtermiņa uzticamība |
6. Komponentu izkārtojuma optimizācija un gaisa vadu projektēšana
Pamatprincips: Iepriekšējās piecas metodes ir vērstas uz siltuma vadītspēju. Galu galā siltumam ir jāizkliedējas apkārtējā vidē, izmantojot konvekciju un starojumu. Pareizs izkārtojums un gaisa plūsmas dizains var būtiski samazināt sistēmas termisko pretestību bez papildu BOM izmaksām.
Kopsavilkums: sistemātiska domāšana siltuma projektēšanai
PCB siltuma dizains nav tikai atsevišķu triku sakraušana, bet gan sistemātiska optimizācija visā termiskās pretestības ķēdē:
Chip Junction → Package → Lod Pad → PCB Copper → Vias / Metāla serde → Siltuma izlietne → Apkārtējā vide
Katra segmenta termiskā pretestība ir kvantitatīvi jānovērtē. Ieteicamā darbplūsma:
Aprēķiniet enerģijas patēriņu un maksimālo pieļaujamo savienojuma temperatūru katrai siltumenerģijas ģenerēšanas ierīcei.
Aprēķināt pieļaujamo kopējo termisko pretestību: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Piešķiriet siltumizturības budžetu iepakojumam, PCB un siltuma izlietnei un identificējiet vājās vietas.
Apvienojiet iepriekš minētās metodes. EPAD plus siltuma caurumi un lielais apakšējā slāņa varš nodrošina visrentablāko bāzes līniju. Pievienojiet siltuma izlietnes vai metāla serdeņu plāksnes lieljaudas scenārijiem.
Apstipriniet ar termisko simulāciju (FloTHERM, ANSYS Icepak utt.) un kalibrējiet ar infrasarkano termisko attēlu mērījumiem.
