En omfattende oversikt over termiske vias for PCB

I. Hva er termiske viaer?

Termiske viaer er klynger av viaer som er spesielt utviklet for raskt å lede varme fra ett lag på et kretskort (vanligvis det øverste eller indre laget der varmegenererende komponenter er plassert) til andre lag (spesielt det nederste kobberlaget eller det indre kobberlaget). De er ikke kjøleribber, men snarere effektive for varmeledning, og sprer varme fra "varmekilden" til et større kobberområde på kretskortet, hvor den avgis gjennom konveksjon og stråling.

II. Kjernefunksjoner og formål

1. Reduser termisk motstand: Brikker (spesielt med pads på bunnen, som QFN, DFN og BGA) har høy termisk motstand mot luft. Via-matriser leder varme til et stort område av kobberfolie på bunnen eller de indre lagene av PCB-en, noe som reduserer den totale termiske motstanden betydelig fra skjøtene til omgivelsene.

2. Varmefordeling og -spredning: Rask varmespredning fra et punkt (varmekilde) til et større område forhindrer lokal overoppheting.

3. Tilkobling til termiske strukturer: Varmeledning til baksiden av PCB-en, som også støtter installasjon av eksterne kjøleribber, varmeavledning gjennom kabinettet eller direkte eksponering for luftstrøm.

III. Viktige designhensyn

1. Oppsett og array

● Plassert under varmekilden: Plasser vanligvis vias rett under termoelementene på varmegenererende enheter (som brikker).

● Matriseformasjon: Bruk av en tettpakket matrise av viaer, i stedet for individuelle viaer. Vanligvis matrise- eller quincunx-formasjon, for å maksimere varmeledningsarealet.

2. Via parametere

● Hulldiameter: Vanligvis små via-diametre (f.eks. 0,3 mm - 0,5 mm). Mindre diametre tillater flere via-er innenfor et begrenset område, noe som øker det totale varmeledningstverrsnittsarealet. Imidlertid må PCB-produsentens prosessegenskaper (minimum hulldiameter) tas i betraktning.

● Kobbertykkelse på hullvegg: Maksimer kobbertykkelsen på hullveggene. Spesifiser «tykk kobberfylling» eller «tykkere hullveggbelegg» (f.eks. 28 gram eller mer) til kretskortprodusenten. Dette er en av de mest effektive måtene å forbedre varmeledningsevnen på.

● Avstand: Senteravstanden mellom viaene er vanligvis omtrent dobbelt så stor som hulldiameteren for å sikre tilstrekkelig med kobberringer og unngå hullbrudd under boring. En for tett stigning kan føre til problemer med signalintegriteten (skape resonanshuler) eller produksjonsvansker.

3. Koblingslag og loddemaske

● Koble til alle mulige store kobberlag: Ideelt sett bør termiske vias kobles til alle interne strøm-/jordplan og den nederste kobberfolien. Dette tilsvarer å koble varmekilden til en stor «termisk masse».

● Åpninger for loddemaske: På baksiden (nederste lag) av kretskortet, i området som tilsvarer viaen, må du sørge for å lage åpninger for loddemaske (dvs. forhindre at loddemasken dekker kobberet og viaene). Dette tillater:

* Avled varme direkte til luften.

* Enkelt å lodde ekstra kjøleribber eller metallblokker.

* Termisk fett kan påføres om nødvendig.

4. Tilkobling til indre kobberlag

● Viaer skal være fullstendig koblet til de indre kobberlagene (flomkobling), ikke ved bruk av termiske avlastningskrysskoblinger. For varmeavledning trenger vi den laveste termiske motstandsbanen.

IV. Hensyn ved termisk simulering

Når du utfører termiske simuleringer i EDA-programvare (som ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim osv.):

● Via-matrisen må modelleres som en ekvivalent termisk ledende blokk, med en ekvivalent termisk ledningsevne som er mye høyere enn vanlig FR-4-materiale.

● Modellen må ta hensyn til faktorer som veggtykkelse på kobber, fyllstoff (luft eller harpiks) og pakningstetthet for å beregne den ekvivalente varmeledningsevnen.

● Hovedformålet med simuleringen er å evaluere virkningen av ulike via-design på chip-krysstemperaturen og fordeling av PCB-overflatetemperaturen.

V. Avanserte teknikker og variasjoner

1. Fylte viaer:

● Ledende fyllstoff: Fylt med kobberpasta eller ledende epoksyharpiks, som gir utmerket varmeledningsevne, men til en høy kostnad.

● Ikke-ledende fyllstoff: Fylt med harpiks og deretter overflatebelagt (VIPPO). Hovedformålet er å forhindre tap av loddepasta under montering på forsiden av brikken, og det gir også en viss forbedring av varmeledningsevnen (bedre enn luft).

● Varmeledende epoksyharpiksfyllstoff: Fylt med et spesielt isolasjonsmateriale med høy varmeledningsevne, som forbedrer varmeledningsevnen samtidig som det sikrer elektrisk isolasjon.

2. Gjelder for enheter med høy effekt: 

Termiske viaer er viktige for MOSFET-er, DC-DC-omformere for høy strøm, osv. De plasseres vanligvis over et stort område under enheten.

3. Forholdsregler:

● Signalintegritet: Tette rekker med viaer kan forstyrre referanseplanet under høyhastighetssignallinjer (spesielt mikrobølge- og RF-signaler), noe som skaper diskontinuiteter. Diskret evaluering er nødvendig.

● Loddingsproblemer: Hvis vias er direkte på overflatemonteringsputer (spesielt puter for små brikker), er riktig plugging av loddemasken viktig for å forhindre tap av loddepasta under reflow-lodding, noe som fører til kalde loddeforbindelser.

VI. Sammendrag av design

1. Identifiser varmekilder: Finn de viktigste varmegenererende komponentene på kretskortet.

2. Planlegg banene for varmespredning: Bestem hvilket lag (vanligvis baksiden) som skal lede varme.

3. Plasser via-matrise: Plasser tette vias med liten diameter under enhetens termiske puter.

4. Angi via egenskaper: Spesifiser fortykket via veggkobber, som kobler til alle relevante kobberlag.

5. Loddemaske: Sørg for åpninger i loddemasken i de bakre varmeavledningsområdene.

6. DFM-inspeksjon: Kommuniser med PCB-produsenten for å bekrefte gjennomførbarheten og kostnaden for prosesser som hulldiameter, kobbertykkelse og viafylling.

7. Utfør termisk simulering: Bekreft designeffektiviteten.

Kort sagt er termiske vias på PCB-er en rimelig og høyeffektiv metode for innebygd varmespredning. Kjerneformålet er å "utnytte hele kobberlaget på PCB-en som kjøleribbe." Design av vias er nøkkelen til vellykket termisk styring, spesielt i kraftelektronikk og kompakte enheter.

Benlida har produsert PCB-er og PCBA- er i 14 år, og har etablert et produksjonssystem: fra avansert utstyr til ingeniørteam, fra prosesskontroll til sterk forsyningskjede. Vi har svært modne produksjonsprosesser for termiske PCB-viaer. Hvis du trenger tilpassede PCB-er, vennligst kontakt Benlida!