1. Povećanje površine bakra i izlivanje bakra velike površine
Osnovni princip: Bakar ima toplotnu provodljivost od približno 401 W/(m·K), hiljadama puta veću od FR‑4 supstrata (~0,3 W/(m·K)). Proširivanje površine bakarne folije oko komponenti koje generiraju toplinu stvara veći poprečni presjek za širenje topline i efikasno smanjuje toplinsku otpornost spoja na ambijent.
Inženjerske ključne tačke:
Pinovi za napajanje i uzemljenje toplotno intenzivnih IC-a povezuju se direktno na velike bakarne ravni; izbjegavajte uske tragove koji ograničavaju protok topline.
Sipajte bakar na gornji i donji sloj i termički ih spojite preko otvora kako biste postigli ekvivalentno udvostručenje debljine bakra.
Veće količine bakra ne donose uvijek proporcionalne prednosti. Toplotni dobitak se smanjuje preko 3-5 puta od veličine čipa. Balansirajte termalne performanse sa EMI i integritetom signala.
Za BGA/QFN uređaje sa donjim termalnim jastučićima, održavajte kontinuirani bakar bez segmentacije direktno ispod čipa.
2. Termalni VAS niz
Osnovni princip: Kada je termalni jastučić komponente na gornjem sloju, dok se glavna disipacija topline javlja na donjem ili unutrašnjim slojevima, vertikalnom toplotnom otpornošću dominira FR-4 dielektrik. Toplotni spojevi formiraju bakarne kanale preko slojeva PCB-a, brzo prenoseći toplotu sa gornje strane na donji sloj bakra ili hladnjaka. Oni predstavljaju jedan od najefikasnijih načina za smanjenje vertikalnog toplotnog otpora.
Inženjerske ključne tačke:
Količina je važnija od prečnika jednog prolaza. Više malih prelaza ima bolje performanse od jednog velikog. Tipična implementacija: otvore prečnika 0,3–0,5 mm raspoređene u nizove sa korakom od 1,0–1,5 mm ispod termalnih jastučića.
Spriječite vlaženje lema: spojevi koji slijeću direktno na jastučiće mogu odvući lem. Za masovnu proizvodnju, usvojite VIPPO (Via‑in‑Pad Plated‑Over) sa punjenjem i bakrenim poklopcem.
Uparite termalne prolaze sa čvrstim unutrašnjim slojem uzemljenja ili ravnima napajanja da biste izgradili 3‑D strukturu za rasipanje toplote koja kombinuje prelaze i ravni.
Za uređaje sa potrošnjom energije iznad 5 W, koristite najmanje 9 termalnih prelaza i potvrdite rezultate termalnom simulacijom.
3. Termalni jastučić i izloženi jastučić (EPAD)
Osnovni princip: Paketi kao što su QFN, DFN i SOIC-EP imaju izloženu metalnu matricu na dnu koja je direktno vezana za matricu za čip. Odgovarajući bakarni jastučić dizajniran na PCB-u omogućava da toplota izlazi sa stražnje strane čipa, a ne samo preko komponentnih vodova.
Inženjerske ključne tačke:
Dimenzija PCB EPAD-a će slijediti preporuke u tablici podataka, obično nešto veća (0,1-0,25 mm margine na svakoj strani) od izložene pločice na pakovanju.
Usmjerite EPAD do velikih bakarnih ploča donjeg ili unutrašnjeg sloja kroz termalne nizove; samo gornji sloj bakra pruža ograničenu sposobnost hlađenja.
Dizajnirajte šablonu sa više malih otvora (umesto jednog velikog velikog otvora) preko EPAD-a za kontrolu zapremine paste za lemljenje i sprečavanje plutanja ili premošćavanja komponenti.
Dobro implementiran EPAD može postići termičku otpornost od samo 1-2 stepena/W, pružajući visoke performanse u pogledu troškova za termički dizajn.
4. PCB sa metalnom jezgrom (MCPCB / PCB sa aluminijumskom bazom)
Osnovni princip: Standardne FR‑4 podloge imaju slabu toplotnu provodljivost. MCPCB koristi aluminijum ili bakar kao jezgro sa tankim toplotno provodljivim dielektričnim slojem (50-100 μm). Njegova ukupna toplotna provodljivost dostiže 1‑8 W/(m·K), mnogo puta više od FR‑4. Toplota se prenosi sa komponentnih jastučića kroz dielektrični sloj na metalno jezgro, a zatim na kućište.
Inženjerske ključne tačke:
Tipične primjene: LED rasvjeta velike snage, automobilska elektronika, energetski moduli. Kontrola temperature LED spoja uvelike se oslanja na PCB-ove na bazi aluminijuma.
Dielektrični sloj je glavno termalno usko grlo. Dajte prioritet dielektričnoj toplotnoj provodljivosti radije nego da se fokusirate samo na materijal osnovnog metala tokom odabira komponente.
Viša cijena od FR‑4. Zbog provodljivog metalnog jezgra potrebna je složena obrada; višeslojni MCPCB je tehnički izazovan.
Alternativa: djelomični bakreni novčić / bakarni umetak ugrađen unutar FR-4 ploča za uravnoteženu cijenu i termičke performanse.
5. Vanjski hladnjak i materijali za termičko sučelje (TIM)
Osnovni princip: Kada unutrašnje rasipanje toplote PCB-a dostigne granice, toplota se mora odvesti do većih spoljnih hladnjaka. Komponente koje stvaraju toplotu ili bakar sa stražnje strane PCB-a ostvaruju kontakt sa hladnjakom preko TIM-a, popunjavajući mikroskopske praznine i istiskujući vazduh (toplotna provodljivost vazduha ~0,026 W/(m·K), loš provodnik toplote).
| Tip | Toplotna provodljivost | Debljina | Scenariji aplikacija |
|---|---|---|---|
| Termalna mast | 2‑8 W/(m·K) | Veoma tanak (<0.1 mm) | IGBT, CPU; aplikacije koje omogućavaju ponovno sastavljanje uz kontrolirani pritisak |
| Thermal Gap Pad | 1‑6 W/(m·K) | 0,5‑5 mm | Kompenzacija visinske razlike, električna izolacija, apsorpcija udara |
| Dvokomponentno termalno ljepilo | 1‑3 W/(m·K) | Ovisno o aplikaciji | Scenariji koji zahtijevaju i termički kontakt i mehaničko spajanje |
| Materijal za promjenu faze | 3‑6 W/(m·K) | 0,1‑0,25 mm | Topi se pod visokim temperaturama radi popunjavanja praznina, dobra dugoročna pouzdanost |
6. Optimizacija rasporeda komponenti i dizajn zračnih kanala
Osnovni princip: Prethodnih pet metoda se fokusiraju na provođenje toplote. Konačno, toplota se mora disipirati u okolinu kroz konvekciju i zračenje. Odgovarajući raspored i dizajn protoka vazduha mogu značajno smanjiti toplotni otpor sistema bez dodatnih troškova BOM-a.
Sažetak: Sistematsko razmišljanje za termički dizajn
Termalni dizajn PCB-a nije jednostavno slaganje pojedinačnih trikova, već sistematska optimizacija u cijelom lancu toplinske otpornosti:
Čip spoj → Paket → Pad za lemljenje → PCB bakar → Vias / Metalna jezgra → Rashladni element → Ambijentalno okruženje
Termička otpornost svakog segmenta treba kvantitativnu procjenu. Preporučeni tok rada:
Procijenite potrošnju energije i maksimalnu dozvoljenu temperaturu spoja za svaki uređaj za proizvodnju topline.
Izračunajte dozvoljeni ukupni toplotni otpor: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Odredite budžet za termičku otpornost za paket, PCB i hladnjak i identifikujte uska grla.
Kombinirajte gore navedene metode. EPAD plus termalni spojevi plus veliki donji sloj bakra nudi najisplativiju osnovnu liniju. Dodajte hladnjake ili ploče s metalnim jezgrom za scenarije velike snage.
Potvrdite termalnom simulacijom (FloTHERM, ANSYS Icepak itd.) i kalibrirajte pomoću infracrvenih termičkih mjerenja.
