1. Ampliació de l'àrea de coure i abocament de coure de gran superfície
Principi bàsic: El coure té una conductivitat tèrmica d'aproximadament 401 W/(m·K), milers de vegades superior al substrat FR-4 (~0,3 W/(m·K)). L'ampliació de l'àrea de làmina de coure al voltant dels components que generen calor crea una secció transversal més gran per a la propagació de la calor i redueix eficaçment la resistència tèrmica de la unió a l'ambient.
Punts clau de l'enginyeria:
Els pins d'alimentació i de terra dels circuits integrats que consumeixen calor s'han de connectar directament a grans plans de coure; evitar traces estretes que restringeixen el flux de calor.
Aboqueu coure tant a les capes superior com a la inferior i acobleu-les tèrmicament per via per aconseguir una duplicació equivalent del gruix de coure.
L'abocament de coure més gran no sempre ofereix beneficis proporcionals. El guany tèrmic disminueix més enllà de 3-5 vegades la mida del xip. Equilibra el rendiment tèrmic amb l'EMI i la integritat del senyal.
Per als dispositius BGA / QFN amb coixinets tèrmics inferiors, mantingueu el coure continu sense segmentació directament sota el xip.
2. Thermal Vias Array
Principi bàsic: Quan el coixinet tèrmic d'un component es troba a la capa superior mentre que es produeix una dissipació de calor important a les capes inferiors o interiors, la resistència tèrmica vertical està dominada pel dielèctric FR-4. Les vies tèrmiques formen canals de coure a través de les capes de PCB, transferint la calor ràpidament des dels coixinets de la part superior al coure de la capa inferior o als dissipadors de calor. Representen una de les maneres més efectives de reduir la resistència tèrmica vertical.
Punts clau de l'enginyeria:
La quantitat importa més que el diàmetre d'una via. Diverses vies petites superen una via gran. Implementació típica: vies de 0,3-0,5 mm de diàmetre disposades en matrius amb un pas d'1,0-1,5 mm sota coixinets tèrmics.
Eviteu l'absorció de la soldadura: les vies que aterren directament sobre els coixinets poden eliminar la soldadura. Per a la producció en massa, adopteu VIPPO (Via-in-Pad Plated-Over) amb farciment i tapa de coure.
Combina vies tèrmiques amb terra sòlida de la capa interna o plans de potència per construir una estructura de dissipació de calor en 3D que combina vies i plans.
Per als dispositius amb un consum d'energia superior a 5 W, utilitzeu almenys 9 vies tèrmiques i valideu els resultats mitjançant la simulació tèrmica.
3. Coixinet tèrmic i coixinet exposat (EPAD)
Principi bàsic: Paquets com ara QFN, DFN i SOIC-EP inclouen una matriu metàl·lica exposada a la part inferior directament unida a la matriu d'encenall. Un coixinet de coure coincident dissenyat a PCB permet que la calor escapi de la part posterior del xip en lloc de només a través dels cables dels components.
Punts clau de l'enginyeria:
La dimensió del PCB EPAD ha de seguir les recomanacions del full de dades, generalment una mica més gran (marge de 0,1-0,25 mm a cada costat) que el coixinet exposat del paquet.
Encamineu l'EPAD als plans de coure grans de la capa interior o inferior a través de la tèrmica mitjançant matrius; El coure de la capa superior només proporciona una capacitat de refrigeració limitada.
Disseny de plantilla amb múltiples obertures petites (en comptes d'una obertura gran sòlida) sobre EPAD per controlar el volum de pasta de soldadura i evitar que els components flotin o s'enganxin.
L'EPAD ben implementat pot assolir una resistència tèrmica tan baixa com 1-2 graus /W, proporcionant un alt rendiment econòmic per al disseny tèrmic.
4. PCB de nucli metàl·lic (MCPCB/PCB de base d'alumini)
Principi bàsic: Els substrats estàndard FR-4 tenen una conductivitat tèrmica baixa. MCPCB utilitza alumini o coure com a nucli amb una fina capa dielèctrica tèrmicament conductora (50-100 μm). La seva conductivitat tèrmica global arriba a 1-8 W/(m·K), moltes vegades superior a FR-4. La calor es transfereix des dels coixinets dels components a través de la capa dielèctrica al nucli metàl·lic i després al recinte.
Punts clau de l'enginyeria:
Aplicacions típiques: il·luminació LED d'alta potència, electrònica d'automòbils, mòduls de potència. El control de temperatura de la unió LED es basa en gran mesura en PCB de base d'alumini.
La capa dielèctrica és el principal coll d'ampolla tèrmica. Prioritzeu la conductivitat tèrmica dielèctrica en lloc de centrar-vos només en el material de metall base durant la selecció de components.
Cost més elevat que FR-4. Es requereix un processament complex a causa del nucli de metall conductor; MCPCB multicapa és un repte tècnic.
Alternativa: moneda de coure parcial / incrustació de coure incrustada dins de taulers FR-4 per equilibrar el cost i el rendiment tèrmic.
5. Dissipadors de calor externs i materials d'interfície tèrmica (TIM)
Principi bàsic: Quan la dissipació de calor intrínseca de PCB arriba als límits, la calor s'ha de conduir a dissipadors de calor externs més grans. Els components generadors de calor o el coure PCB de la part posterior entren en contacte amb els dissipadors de calor mitjançant TIM, omplint buits microscòpics i desplaçant l'aire (conductivitat tèrmica de l'aire ~ 0,026 W/(m·K), un mal conductor de calor).
| Tipus | Conductivitat tèrmica | Gruix | Escenaris d'aplicació |
|---|---|---|---|
| Greix tèrmic | 2‑8 W/(m·K) | Molt prim (<0.1 mm) | IGBT, CPU; aplicacions que permeten el muntatge amb pressió controlada |
| Coixinet tèrmic Gap | 1‑6 W/(m·K) | 0,5-5 mm | Compensació de diferència d'alçada, aïllament elèctric, absorció de xocs |
| Adhesiu tèrmic de dos components | 1‑3 W/(m·K) | Depenent de l'aplicació | Escenaris que requereixen tant contacte tèrmic com unió mecànica |
| Material de canvi de fase | 3‑6 W/(m·K) | 0,1-0,25 mm | Es fon a alta temperatura per omplir els buits, bona fiabilitat a llarg termini |
6. Optimització de la disposició dels components i disseny de conductes d'aire
Principi bàsic: Els cinc mètodes anteriors se centren en la conducció de calor. Finalment, la calor s'ha de dissipar a l'ambient per convecció i radiació. El disseny adequat i el flux d'aire poden reduir substancialment la resistència tèrmica del sistema sense cost addicional de BOM.
Resum: pensament sistemàtic per al disseny tèrmic
El disseny tèrmic de PCB no és simplement apilar trucs individuals, sinó una optimització sistemàtica en tota la cadena de resistència tèrmica:
Unió de xip → Paquet → Coixinet de soldadura → Coure PCB → Vias / Nucli metàl·lic → Dissipador de calor → Entorn ambiental
La resistència tèrmica de cada segment necessita una avaluació quantitativa. Flux de treball recomanat:
Estimar el consum d'energia i la temperatura màxima permesa d'unió per a cada dispositiu generador de calor.
Calcula la resistència tèrmica total permesa: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Assignar pressupost de resistència tèrmica per a paquets, PCB i dissipador de calor i identificar colls d'ampolla.
Combina els mètodes esmentats anteriorment. L'EPAD més les vies tèrmiques més el coure de la capa inferior gran ofereix la línia de base més rendible. Afegiu dissipadors de calor o plaques de nucli metàl·lic per a escenaris d'alta potència.
Valida per simulació tèrmica (FloTHERM, ANSYS Icepak, etc.) i calibra amb mesures d'imatge tèrmica infraroja.
