Tin tức

Lỗ thoát nhiệt và tản nhiệt phối hợp hoạt động như thế nào trong thiết kế PCB?

Thermal vias và bộ tản nhiệt hoạt động cùng nhau bằng cách tạo ra một đường dẫn nhiệt trở kháng thấp từ linh kiện sinh nhiệt, xuyên qua các mặt phẳng đồng của PCB, và vào không khí xung quanh thông qua bộ tản nhiệt. Các via, thường có đường kính từ 0,2 mm đến 0,3 mm, dẫn nhiệt theo phương thẳng đứng xuyên qua bo mạch đến một miếng đệm nhiệt hoặc bộ tản nhiệt gắn trên khung máy, trong khi diện tích bề mặt của bộ tản nhiệt (đo bằng cm² trên mỗi watt) tản nhiệt đó bằng đối lưu. Đối với một linh kiện công suất điển hình tiêu tán 2,5 W, một mảng gồm 9 thermal vias dưới miếng đệm có thể giảm điện trở nhiệt từ điểm nối đến môi trường xung quanh từ 60 K/W xuống dưới 25 K/W khi kết hợp với một bộ tản nhiệt nhôm được thiết kế phù hợp.

Vai Trò Của Mảng Thermal Via Trong Điện Trở Nhiệt Là Gì?

Một thermal via đơn lẻ có điện trở nhiệt khoảng 60 đến 80 K/W đối với bo mạch FR-4 dày 1,6 mm với lớp mạ đồng 35 µm. Tuy nhiên, khi bạn đặt 16 via theo lưới 4x4 dưới một miếng đệm linh kiện 5 mm x 5 mm, điện trở nhiệt song song giảm xuống còn khoảng 4 đến 6 K/W chỉ riêng cho mảng via. Tính toán này giả định đường kính mũi khoan tiêu chuẩn 0,3 mm, độ dày thành đồng mạ 25 µm, và via được lấp đầy hoặc không lấp đầy; via không lấp đầy kém hiệu quả hơn từ 20% đến 30% so với via lấp đầy đồng do độ dẫn nhiệt thấp của không khí bị giữ lại (0,026 W/m·K so với 385 W/m·K của đồng).

Hiệu suất nhiệt của via cũng phụ thuộc vào độ dày lớp mạ đồng. Sản xuất PCB tiêu chuẩn cung cấp lớp mạ từ 18 µm đến 35 µm trong lỗ, nhưng đối với các ứng dụng công suất cao, việc chỉ định lớp mạ 50 µm có thể giảm điện trở nhiệt của via thêm 25%. Đối với một MOSFET công suất 20 W trên miếng đệm nhiệt 20 mm x 20 mm, bạn cần tối thiểu 36 via để giữ nhiệt độ điểm nối dưới 125 °C ở nhiệt độ môi trường 50 °C, giả sử bộ tản nhiệt có 10 K/W.

Phương Pháp Gắn Bộ Tản Nhiệt Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Nhiệt Của PCB Như Thế Nào?

Phương pháp gắn quyết định điện trở tiếp xúc nhiệt giữa PCB và bộ tản nhiệt. Tiếp xúc kim loại-kim loại trần với mỡ tản nhiệt (2 W/m·K) cho điện trở nhiệt từ 0,5 đến 1,0 K·cm²/W, trong khi một miếng đệm keo dẫn nhiệt (1,5 W/m·K, dày 0,2 mm) cho 1,5 đến 2,5 K·cm²/W. Lắp vít với kẹp lò xo cung cấp áp lực ổn định nhất, thường là 10 đến 15 psi, điều này rất quan trọng để duy trì bề mặt tiếp xúc dưới 0,8 K·cm²/W.

Đối với PCB có 36 thermal vias và bộ tản nhiệt 40 mm x 40 mm, lắp vít giảm tổng điện trở từ điểm nối đến môi trường xung quanh 12% so với việc gắn bằng băng keo dính. Các thermal vias phải được đặt trực tiếp dưới chân của bộ tản nhiệt; nếu các via bị lệch hơn 3 mm so với tâm miếng đệm linh kiện, điện trở lan tỏa đồng theo phương ngang sẽ tăng thêm 5 đến 8 K/W, làm mất đi lợi ích của bộ tản nhiệt. Trong sản xuất, chúng tôi khuyên bạn nên có một miếng đệm nhiệt trên lớp mặt nạ hàn khớp chính xác với đế bộ tản nhiệt, với các via được bịt kín ở mặt dưới để ngăn chặn hiện tượng hút thiếc trong quá trình hàn reflow.

Tại Sao Độ Dày Đồng Lại Quan Trọng Đối Với Việc Lan Tỏa Nhiệt Trong PCB?

Đồng 1 oz tiêu chuẩn (35 µm) có điện trở lan tỏa nhiệt theo phương ngang khoảng 70 K/W trên mỗi ô vuông cho diện tích 10 mm x 10 mm. Tăng gấp đôi lên đồng 2 oz (70 µm) giảm điện trở lan tỏa này xuống còn 35 K/W trên mỗi ô vuông, điều này rất quan trọng để truyền nhiệt từ miếng đệm linh kiện 3 mm x 3 mm đến một mảng via lớn hơn hoặc chân của bộ tản nhiệt. Đối với một thiết kế tiêu tán 10 W, sự khác biệt giữa đồng 1 oz và 2 oz có thể đồng nghĩa với việc nhiệt độ điểm nối thấp hơn 15 °C ở cùng một luồng không khí.

Mối quan hệ là tuyến tính: mỗi ounce đồng bổ sung (35 µm) làm giảm điện trở nhiệt theo phương ngang khoảng 50% cho một diện tích bo mạch nhất định. Tuy nhiên, đồng dày hơn làm tăng chi phí PCB từ 15% đến 20% cho mỗi lớp và có thể gây ra các vấn đề ăn mòn ngầm đối với các đường dẫn mảnh dưới 0,15 mm. Đối với hầu hết các thiết kế nhiệt, chúng tôi chỉ định đồng 2 oz trên cả hai lớp ngoài và 1 oz trên các mặt phẳng bên trong, điều này cung cấp một sự cân bằng tốt giữa hiệu suất nhiệt (điện trở lan tỏa từ 30 đến 40 K/W) và khả năng sản xuất với thời gian giao hàng tiêu chuẩn từ 5 đến 7 ngày.

Khi Nào Nên Sử Dụng Thermal Via Lấp Đầy Đồng So Với Via Không Lấp Đầy?

Sử dụng via lấp đầy đồng khi mật độ dòng nhiệt vượt quá 0,5 W/mm² hoặc khi điện trở từ điểm nối đến vỏ phải duy trì dưới 1,5 K/W. Via lấp đầy đồng, sử dụng đồng mạ điện để lấp đầy hoàn toàn lỗ, có độ dẫn nhiệt từ 300 đến 380 W/m·K dọc theo trục via, so với 50 đến 80 W/m·K của via không lấp đầy với lớp mạ mỏng. Sự khác biệt về chi phí là đáng kể: lấp đầy đồng thêm $0,02 đến $0,05 cho mỗi via trong sản xuất khối lượng lớn, trong khi via không lấp đầy gần như không tốn thêm chi phí nào ngoài quy trình khoan và mạ tiêu chuẩn.

Đối với các thiết kế có mật độ dòng nhiệt dưới 0,3 W/mm², via không lấp đầy với lớp mạ 35 µm là đủ, đặc biệt nếu bo mạch có một mặt phẳng đồng đặc ở phía đối diện. Chúng tôi khuyên dùng via không lấp đầy cho các đợt chạy thử nghiệm dưới 100 sản phẩm vì chúng dễ dàng làm lại và kiểm tra hơn. Đối với khối lượng sản xuất trên 1.000 sản phẩm với hoạt động liên tục ở nhiệt độ điểm nối trên 85 °C, via lấp đầy đồng là bắt buộc để ngăn ngừa mỏi do chu kỳ nhiệt, có thể làm nứt lớp mạ mỏng sau 5.000 đến 10.000 chu kỳ.

Cấu Hình Xếp Tầng PCB Nào Cung Cấp Hiệu Suất Nhiệt Tối Ưu?

Một bo mạch 4 lớp với các thermal vias kết nối miếng đệm linh kiện phía trên với mặt phẳng nối đất đồng 2 oz bên trong mang lại tỷ lệ chi phí-hiệu suất tốt nhất. Mặt phẳng bên trong hoạt động như một bộ khuếch tán nhiệt, phân phối nhiệt theo phương ngang trước khi các via truyền nó đến bộ tản nhiệt ở phía dưới. Cấu hình xếp tầng này, với các via 0,2 mm trên bước lưới 0,5 mm, đạt được điện trở nhiệt 3,5 K/W từ miếng đệm linh kiện đến mặt phẳng dưới cùng, tốt hơn 40% so với bo mạch 2 lớp với cùng số lượng via.

Đối với tải nhiệt cực cao trên 30 W, một bo mạch 6 lớp với hai mặt phẳng nhiệt chuyên dụng (lớp 2 và 5) được kết nối bằng một mảng via 6x6 giảm điện trở nhiệt xuống còn 1,8 K/W. Các lớp bổ sung thêm $8 đến $12 cho mỗi bo mạch trong chi phí sản xuất nhưng loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ tản nhiệt lớn hơn, có thể tiết kiệm $2 đến $5 cho mỗi đơn vị trong lắp ráp. Theo kinh nghiệm của chúng tôi, bước lưới via tối ưu là 0,6 mm đến 0,8 mm; bước lưới dưới 0,5 mm làm tăng tỷ lệ gãy mũi khoan từ 0,1% lên 2%, và bước lưới trên 1,0 mm lãng phí diện tích bo mạch mà không có lợi ích nhiệt tương xứng.

Làm Thế Nào Để Tính Số Lượng Thermal Via Cho Một Mức Tiêu Tán Công Suất Nhất Định?

Số lượng via cần thiết tuân theo quy tắc này: chia tổng công suất (tính bằng watt) cho 0,5 W mỗi via đối với via không lấp đầy, hoặc cho 1,2 W mỗi via đối với via lấp đầy đồng, sau đó nhân với hệ số an toàn là 1,3. Ví dụ, một bộ khuếch đại công suất 15 W cần 30 via không lấp đầy (15 / 0,5 x 1,3) hoặc 16 via lấp đầy đồng (15 / 1,2 x 1,3). Tính toán này giả định nhiệt độ điểm nối tối đa cho phép là 125 °C, nhiệt độ môi trường là 50 °C, và bộ tản nhiệt có điện trở nhiệt 8 K/W.

Để tính toán chính xác hơn, hãy sử dụng công thức: Số lượng via = (Công suất x Điện trở nhiệt mỗi Via) / (Điện trở mục tiêu từ điểm nối đến môi trường - Điện trở bộ tản nhiệt). Với điện trở mục tiêu từ điểm nối đến môi trường là 5 K/W, bộ tản nhiệt 3 K/W, và điện trở via là 60 K/W mỗi cái, bạn cần 30 via (60 / 2 = 30). Luôn thêm 20% via dự phòng cho dung sai sản xuất, vì sai lệch khi khoan có thể làm giảm diện tích đồng hiệu quả từ 10% đến 15%.

Các Chế Độ Hỏng Hóc Phổ Biến Khi Không Sử Dụng Thermal Via Là Gì?

Không có thermal vias, nhiệt từ linh kiện công suất phải di chuyển theo phương ngang qua miếng đệm đồng, nơi có điện trở lan tỏa từ 70 đến 100 K/W trên mỗi ô vuông. Điều này làm cho nhiệt độ điểm nối tăng từ 30 °C đến 50 °C so với nhiệt độ vỏ, dẫn đến mỏi mối hàn sớm. Trong các thử nghiệm gia tốc tuổi thọ, các bo mạch không có via hỏng sau 1.200 chu kỳ nhiệt (-40 °C đến 125 °C), trong khi các bo mạch có 25 via không lấp đầy sống sót qua 3.500 chu kỳ mà không hỏng hóc.

Một chế độ hỏng hóc khác là sự tách lớp PCB, xảy ra khi nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh của FR-4 (130 °C đến 140 °C) bị vượt quá cục bộ. Một linh kiện 10 W trên miếng đệm 10 mm x 10 mm không có via có thể tạo ra một điểm nóng 150 °C tại tâm miếng đệm, khiến đồng bong ra khỏi chất nền sau 500 giờ. Thermal vias giảm nhiệt độ điểm nóng từ 40 °C đến 60 °C, giữ cho bo mạch dưới nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh và kéo dài tuổi thọ lên hơn 10.000 giờ ở tải đầy đủ.

Câu Hỏi Thường Gặp

Đường Kính Via Tối Thiểu Cho Các Ứng Dụng Nhiệt Là Bao Nhiêu?

Đường kính via thực tế tối thiểu là 0,2 mm cho sản xuất PCB tiêu chuẩn, nhưng chúng tôi khuyên dùng 0,3 mm cho thermal vias vì mũi khoan nhỏ hơn có tỷ lệ gãy cao hơn và tạo ra lớp mạ đồng mỏng hơn. Một via 0,2 mm có diện tích mặt cắt ngang đồng ít hơn 30% so với via 0,3 mm, làm tăng điện trở nhiệt lên 40%. Đối với sản xuất khối lượng lớn trên 10.000 bo mạch, 0,3 mm là tiêu chuẩn công nghiệp cho độ tin cậy.

Có Bao Nhiêu Thermal Via Có Thể Đặt Dưới Một Miếng Đệm SMD Tiêu Chuẩn?

Đối với miếng đệm SMD 5 mm x 5 mm, bạn có thể đặt tối đa 25 via ở bước lưới 0,6 mm, nhưng chúng tôi khuyên dùng 16 via ở bước lưới 0,8 mm để đảm bảo đủ vòng đồng xung quanh mỗi lỗ. Miếng đệm via phải có đường kính 0,5 mm cho lỗ 0,3 mm, để lại một khoảng đồng 0,15 mm giữa các miếng đệm via liền kề ở bước lưới 0,8 mm. Cấu hình này duy trì độ bền cơ học trong khi cung cấp điện trở nhiệt 4 K/W cho mảng.

Có Thể Đặt Thermal Via Dưới IC Mà Không Ảnh Hưởng Đến Mối Hàn Không?

Có, nhưng bạn phải bịt kín các via ở phía linh kiện bằng mặt nạ hàn để ngăn chặn hút thiếc khỏi miếng đệm IC. Nắp bịt kín via phải che phủ hoàn toàn lỗ, thường lớn hơn 0,15 mm so với đường kính via, để tránh các lỗ rỗng trong mối hàn. Đối với các linh kiện có đầu nối ở đáy như gói QFN, hãy sử dụng via được lấp đầy và mạ phủ để cung cấp một bề mặt phẳng cho việc in kem hàn.

Độ Dẫn Nhiệt Của FR-4 Tiêu Chuẩn So Với Chất Nền Nhôm Là Bao Nhiêu?

FR-4 có độ dẫn nhiệt 0,3 W/m·K, thấp hơn đồng 1.000 lần, vì vậy nhiệt phải được dẫn qua các mặt phẳng đồng thay vì chất nền. Chất nền nhôm (IMS, chất nền kim loại cách điện) có lớp điện môi từ 2 đến 4 W/m·K và đế nhôm 200 W/m·K, cung cấp khả năng truyền nhiệt theo phương thẳng đứng tốt hơn từ 10 đến 20 lần. Tuy nhiên, bo mạch IMS có giá cao gấp 3 đến 5 lần so với FR-4 tiêu chuẩn, vì vậy chúng chỉ được sử dụng hợp lý cho mật độ công suất trên 1 W/mm².

Khi Nào Nên Sử Dụng Cả Thermal Via Và Bộ Tản Nhiệt?

Bạn nên sử dụng cả hai khi tổng công suất tiêu tán vượt quá 5 W và diện tích PCB bị giới hạn. Các via giảm điện trở nhiệt từ linh kiện đến điểm gắn bộ tản nhiệt, trong khi bộ tản nhiệt cung cấp diện tích bề mặt cần thiết cho đối lưu. Không có via, bộ tản nhiệt nhận được ít hơn từ 30% đến 50% nhiệt, làm cho nó không hiệu quả. Đối với một thiết kế 15 W, sự kết hợp của 25 via và bộ tản nhiệt 50 mm x 50 mm đạt được điện trở từ điểm nối đến môi trường xung quanh là 3,5 K/W, điều này là không thể nếu chỉ sử dụng một trong hai yếu tố.

#

Hướng Luồ

Bài Viết Liên Quan

• Tản nhiệt cho bộ pin: Ngăn ngừa hiện tượng thoát nhiệt
• Hướng dẫn gắn tản nhiệt không cần ốc vít: Sử dụng keo tản nhiệt
• Tản nhiệt cho đèn LED độ sáng cao với tản nhiệt