Lỗ xuyên nhiệt và tản nhiệt PCB cho linh kiện SMD
Trả lời ngắn: Một cấu trúc nhiệt SMD thực tế sử dụng mảng 2 x 2 đến 4 x 4 lỗ xuyên mạ 0,3 mm bên dưới pad nhiệt, với bước 1,0-1,2 mm, liên kết với ít nhất 2-4 lớp đồng với đồng 1 oz (35 µm) hoặc 2 oz (70 µm). Điều đó cho bạn khoảng 20-40 K/W cho mỗi cặp lỗ xuyên trong không khí tĩnh, vì vậy hai mươi lỗ xuyên đạt gần 1-3 K/W tổng cộng. PCB sau đó dẫn đến tản nhiệt được liên kết bằng lớp tiếp giáp 0,1-0,3 mm. BQUQ gia công và dập tản nhiệt nhôm hoặc đồng nhận nhiệt đó, và báo giá trong 12 giờ làm việc.
Hầu hết các vấn đề nhiệt SMD không được giải quyết tại linh kiện. Chúng được giải quyết trong 3 mm vật liệu ngay bên dưới nó. Một QFN, một MOSFET công suất trong gói DFN, hoặc một LED độ sáng cao đều đổ nhiệt vào một pad hàn thường nhỏ hơn 5 mm x 5 mm. Pad đó không có nơi để đi trừ khi PCB được thiết kế như một bộ tản nhiệt trước tiên và một đế nối dây thứ hai.
Bài viết này bao gồm đường dẫn nhiệt từ die đến môi trường: hình học lỗ xuyên, tản nhiệt đồng, lựa chọn lớp tiếp giáp, và cách tản nhiệt cơ khí được chỉ định để thiết kế điện và nhiệt thực sự kết nối.
Tại sao tản nhiệt lại quan trọng hơn kích thước tản nhiệt thô?
Bởi vì nút thắt cổ chai hầu như không bao giờ là diện tích cánh tản nhiệt. Đó là điện trở co thắt giữa một die nhỏ và một tản nhiệt lớn.
Hãy xem xét một gói công suất 5 mm x 5 mm tiêu tán 3 W. Nếu nhiệt đó đi vào một tản nhiệt 100 mm x 100 mm qua một miếng tiếp xúc 25 mm², điện trở tản nhiệt bên trong tấm đế chiếm ưu thế. Tản nhiệt có thể được đánh giá ở 1,5 °C/W trong đối lưu tự nhiên, nhưng điện trở hệ thống hiệu quả có thể là 8-12 °C/W vì nhiệt không bao giờ lan tỏa theo chiều ngang trước khi đến các cánh tản nhiệt.
Giải pháp là một cách tiếp cận nhiều lớp:
1. Linh kiện đến pad — rỗ hàn dưới 10% diện tích, được xác minh bằng X-quang.
2. Pad đến đồng bên trong — lỗ xuyên nhiệt, không chỉ một kết nối duy nhất.
3. Đồng bên trong đến bề mặt bo mạch — đổ đồng trên mọi lớp có sẵn, được khâu lại với nhau.
4. Bo mạch đến tản nhiệt — một lớp tiếp giáp có độ dày kiểm soát, hoặc pad nhiệt, keo dính, hoặc bệ gia công.
5. Tản nhiệt đến không khí — hình học cánh tản nhiệt phù hợp với chế độ luồng khí.
Bước 2 và 3 là những bước kỹ sư thường xây dựng thiếu nhất, vì chúng vô hình trên sơ đồ mạch.
Bạn thực sự cần bao nhiêu lỗ xuyên nhiệt?
Không có con số phổ quát, nhưng có một phạm vi khởi đầu có thể bảo vệ được. Điện trở nhiệt của lỗ xuyên phụ thuộc vào độ dày mạ thành lỗ, đường kính khoan, độ dày bo mạch, và liệu lỗ xuyên có được lấp đầy hay để hở.
Bảng dưới đây đưa ra các giá trị chỉ định cho bo mạch FR-4 1,6 mm với mạ đồng 25 µm trong thành lỗ. Hãy coi đây là hướng dẫn thiết kế, không phải số liệu datasheet.
| Cấu hình lỗ xuyên | Điện trở xấp xỉ mỗi lỗ | Mảng 16 lỗ (song song) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Khoan 0,2 mm, thành hở | 55-75 K/W | 3,4-4,7 K/W | Điện trở cao nhất, rẻ nhất |
| Khoan 0,3 mm, thành hở | 35-50 K/W | 2,2-3,1 K/W | Mặc định phổ biến |
| Khoan 0,3 mm, lấp đầy + phủ | 25-35 K/W | 1,6-2,2 K/W | Tốt hơn cho in kem hàn |
| Khoan 0,5 mm, thành hở | 20-30 K/W | 1,3-1,9 K/W | Lãng phí diện tích pad |
| 0,3 mm, mạ 2 oz | 18-26 K/W | 1,1-1,6 K/W | Lựa chọn thực tế tốt nhất |
Một vài quy tắc thực tế đúng trong hầu hết các thiết kế:
- Khoan 0,3 mm với bước 1,0-1,2 mm là lựa chọn chủ lực. Nó cân bằng điện trở, tính toàn vẹn của stencil kem hàn, và khả năng sản xuất.
- Giữ bên trong pad nhiệt. Lỗ xuyên đặt bên ngoài footprint pad không làm giảm điện trở co thắt tại die.
- Phủ hoặc lấp đầy mặt trên. Lỗ xuyên hở hút kem hàn trong quá trình reflow và tạo rỗ. Nếu bạn không thể chi trả cho lỗ xuyên lấp đầy và phủ, hãy phủ mặt trên và để mặt dưới hở để thoát khí.
- Hơn khoảng 25 lỗ xuyên dưới pad 5 mm mang lại lợi ích giảm dần; sau đó bạn bị giới hạn bởi tản nhiệt đồng, không phải số lượng lỗ xuyên.
Hiệu ứng xếp lớp
Lỗ xuyên chỉ hữu ích nếu chúng tiếp xúc với đồng ở phía bên kia. Một lỗ xuyên kết thúc trên một lớp bên trong với một đảo 2 mm² gần như vô dụng. Mỗi lỗ xuyên nên kết nối với một mặt phẳng hoặc một vùng đổ đồng có ít nhất 100 mm² đồng liên tục, lý tưởng là trên hai hoặc nhiều lớp, được khâu bằng các lỗ xuyên bổ sung xung quanh chu vi của vùng đổ đồng.
Đồng nên dày bao nhiêu?
Độ dày đồng quyết định điện trở tản nhiệt theo chiều ngang. Một lớp 1 oz tản nhiệt tốt hơn đáng kể so với 0,5 oz, và 2 oz lại là một bước thay đổi nữa cho các bo mạch công suất cao.
| Trọng lượng đồng | Độ dày | Sử dụng điển hình | Lợi ích tản nhiệt |
|---|---|---|---|
| 0,5 oz | 17 µm | Bo mạch chủ yếu tín hiệu | Kém cho >1 W |
| 1 oz | 35 µm | Bo mạch công suất tiêu chuẩn | Đủ đến ~2-3 W mỗi linh kiện |
| 2 oz | 70 µm | Mảng LED, driver động cơ | Tốt đến ~5 W mỗi linh kiện |
| 3 oz+ | 105 µm+ | IGBT, LED dày đặc | Yêu cầu quy tắc trace/space rộng hơn |
Đối với một linh kiện SMD 1 W điển hình, một bo mạch 1 oz với vùng đổ đồng 400-600 mm² bên dưới và xung quanh linh kiện thường đủ để giữ junction trong giới hạn ở nhiệt độ môi trường 25 °C. Đối với 3 W trở lên, chuyển sang 2 oz hoặc thêm đế lõi kim loại hoặc đế nền nhôm.
Một lưu ý: đồng dày thay đổi khả năng ăn mòn của bạn. Ở 2 oz trở lên, chiều rộng trace tối thiểu và khoảng cách thường mở rộng, ảnh hưởng đến mật độ định tuyến. Lập kế hoạch stack-up trước khi layout, không phải sau.
Làm thế nào để kết nối PCB với tản nhiệt?
Đây là nơi thiết kế nhiệt trở thành một vấn đề cơ khí, và là nơi nhiều dự án mất đi lợi ích của họ. Một mảng lỗ xuyên hoàn hảo dẫn đến một tản nhiệt được liên kết kém là một nỗ lực lãng phí.
Có ba cách gắn phổ biến:
Pad tiếp giáp nhiệt hoặc chất lấp khe
Một pad cắt sẵn, thường dày 0,5-2,0 mm, với độ dẫn nhiệt trong khoảng 1-6 W/m·K cho chất lấp khe silicone và cao hơn cho vật liệu đặc biệt. Nó thích ứng với dung sai, có thể làm lại, và không cần đóng rắn. Đánh đổi là điện trở tiếp giáp tương đối cao, thường 1-3 °C/W cho diện tích 25 mm x 25 mm ở áp suất vừa phải.
Chọn vật liệu phù hợp là một bài tập riêng — chúng tôi đề cập đến các đánh đổi trong hướng dẫn về lựa chọn lớp tiếp giáp nhiệt.
Keo dính nhiệt
Keo dính có thể đạt 1-3 W/m·K và cho đường liên kết mỏng hơn, thường 0,1-0,2 mm. Chúng vĩnh viễn, điều này quan trọng đối với việc làm lại. Nếu sản phẩm của bạn cần sửa chữa tại hiện trường, hãy lập kế hoạch cho nó — xem làm lại và sửa chữa tản nhiệt.
Tiếp xúc bệ gia công
Lựa chọn hiệu quả nhất về nhiệt là một tản nhiệt với bệ gia công tiếp xúc trực tiếp với PCB, chỉ có một lớp tiếp giáp mỏng tại mặt bệ. Điều này cho phép bạn kiểm soát độ phẳng và chiều cao chính xác. BQUQ gia công các bệ này trên tản nhiệt gia công CNC đến ±0,005 mm trên các kích thước quan trọng, giữ đường liên kết đồng đều trên pad.
Một đường liên kết đồng đều có giá trị hơn một vật liệu tiếp giáp tốt hơn một chút. Một đường liên kết 0,1 mm thay đổi từ 0,05 mm đến 0,4 mm trên một pad 25 mm tạo ra một điểm nóng ở đầu mỏng và một vùng điện trở ở đầu dày.
Hình học tản nhiệt nào phù hợp với bo mạch SMD được cấp nhiệt qua lỗ xuyên?
Khi nhiệt đến đế tản nhiệt, vấn đề thiết kế chuyển sang hình học cánh tản nhiệt và luồng khí. Hai tham số chi phối:
- Khoảng cách cánh tản nhiệt — quá chặt và các lớp biên hợp nhất, giết chết đối lưu. Quá rộng và bạn lãng phí thể tích. Đối với đối lưu tự nhiên, khoảng cách 6-10 mm là điển hình; đối với không khí cưỡng bức, 2-4 mm. Chúng tôi đề cập đến tính toán chi tiết trong khoảng cách cánh tản nhiệt đối lưu tự nhiên.
- Độ dày đế — phải đủ dày để tản nhiệt theo chiều ngang trước khi đến các cánh tản nhiệt. Đối với nguồn nhiệt 25 mm x 25 mm trên tản nhiệt 100 mm, đế 5-8 mm là điểm khởi đầu hợp lý. Đế mỏng hơn tiết kiệm trọng lượng nhưng tái tạo điện trở co thắt.
Đối với bo mạch SMD với một nguồn nhiệt chi phối duy nhất, một profile đùn với đế dày và số lượng cánh tản nhiệt vừa phải thường tốt hơn một tản nhiệt lớn, đế mỏng. Đối với các nguồn phân tán — mảng LED, tầng công suất đa ray — một đế phẳng hơn với cánh tản nhiệt dày đặc hơn và không khí cưỡng bức hiệu quả hơn.
BQUQ sản xuất tản nhiệt trên tất cả các định dạng này: profile đùn, cụm dập và liên kết, cánh tản nhiệt skived, đúc khuôn, và các biến thể gia công CNC với bệ gia công và tính năng gắn. Toàn bộ dải sản phẩm được liệt kê trong tản nhiệt, và các bộ phận quan trọng về bệ được đề cập trong tản nhiệt gia công CNC.
Danh sách kiểm tra thiết kế cho cấu trúc nhiệt SMD được cấp nhiệt qua lỗ xuyên
| Bước | Mục tiêu | Thất bại phổ biến |
|---|---|---|
| Rỗ hàn dưới pad | <10% diện tích | Thể tích kem hàn quá thấp, lỗ xuyên hở hút |
| Số lượng và bước lỗ xuyên | 16-25 lỗ, 0,3 mm, bước 1,0-1,2 mm | Lỗ xuyên đặt ngoài pad |
| Kết thúc lỗ xuyên | Mặt phẳng trên 2+ lớp | Lỗ xuyên tiếp xúc đảo cô lập |
| Trọng lượng đồng | Tối thiểu 1 oz, 2 oz cho >3 W | 0,5 oz trên linh kiện 2 W |
| Diện tích đổ đồng | 400-600 mm² mỗi lớp công suất | Đổ đồng bị cắt bởi định tuyến |
| Lớp tiếp giáp | 0,1-0,3 mm, đồng đều | Bệ không đều, pad dày |
| Đế tản nhiệt | 5-8 mm cho nguồn 25 mm | Đế mỏng, co thắt cao |
| Khoảng cách cánh tản nhiệt | Phù hợp với chế độ luồng khí | Khoảng cách đối lưu tự nhiên trong ống dẫn quạt |
Câu hỏi thường gặp
H: Tôi có thể sử dụng lỗ xuyên nhiệt dưới QFN mà không lấp đầy chúng không?
Đ: Có, nhưng phủ mặt trên bằng mặt nạ hàn và để mặt dưới hở. Lỗ xuyên hở hoạt động như đường hút kem hàn trong quá trình reflow, kéo hàn ra khỏi pad nhiệt và tạo rỗ. Nếu khẩu độ stencil và thể tích kem hàn của bạn được kiểm soát chặt chẽ, lỗ xuyên hở có thể hoạt động cho các lô sản xuất nhỏ. Đối với bất kỳ thứ gì trên vài nghìn chiếc, lỗ xuyên lấp đầy và phủ cho kết quả lặp lại tốt hơn và hiệu suất nhiệt tốt hơn.
H: Đổ đồng thực sự giúp ích bao nhiêu so với chỉ sử dụng nhiều lỗ xuyên hơn?
Đ: Nó thường giúp ích nhiều hơn. Lỗ xuyên di chuyển nhiệt theo chiều dọc; đồng di chuyển nó theo chiều ngang. Một mảng lỗ xuyên dày đặc kết thúc trên một đảo nhỏ vẫn tập trung nhiệt. Một vùng đổ đồng 500 mm² trên hai lớp, được khâu bằng lỗ xuyên chu vi, tản nhiệt khắp bo mạch và giảm điện trở nguồn-đến-tản hiệu quả nhiều hơn so với việc tăng gấp đôi số lượng lỗ xuyên dưới pad. Xây dựng cả hai, nhưng đừng bỏ qua việc đổ đồng.
H: Độ dày đế tản nhiệt tối thiểu thực tế cho bo mạch SMD là bao nhiêu?
Đ: Đối với nguồn nhiệt 25 mm x 25 mm, 5 mm là mức sàn hợp lý và 6-8 mm an toàn hơn cho các nguồn trên 3 W. Dưới 4 mm, điện trở co thắt bên trong đế bắt đầu chiếm ưu thế và việc thêm diện tích cánh tản nhiệt không còn giúp ích. Nếu trọng lượng là quan trọng, một tấm tản nhiệt đồng được liên kết vào đế tản nhiệt nhôm cho khả năng tản nhiệt trên mỗi gram tốt hơn so với chỉ làm dày nhôm.
H: Độ dày mạ lỗ xuyên có quan trọng như đường kính lỗ xuyên không?
Đ: Nó rất quan trọng ở đường kính nhỏ. Một lỗ xuyên 0,3 mm với mạ thành lỗ 25 µm có khoảng 35-50 K/W; cùng lỗ xuyên với mạ 50 µm giảm xuống khoảng 18-26 K/W. Vì độ dày mạ thành lỗ được thiết lập bởi quy trình của nhà sản xuất bo mạch của bạn, hãy chỉ định rõ ràng trên bản vẽ chế tạo. Nếu bạn không thể kiểm soát nó, hãy sử dụng nhiều lỗ xuyên hơn thay vì dựa vào độ dày mạ.
H: Làm thế nào để biết cấu trúc nhiệt của tôi có đủ trước khi chế tạo phần cứng?
Đ: Chạy mô phỏng nhiệt với mảng lỗ xuyên, trọng lượng đồng, và diện tích đổ đồng được mô hình hóa rõ ràng — mô hình gộp che giấu điện trở co thắt. Sau đó xác nhận với một bo mạch thử nghiệm nhiệt bao gồm tản nhiệt thực tế và vật liệu tiếp giáp. Đo nhiệt độ vỏ và nhiệt độ đế tản nhiệt riêng biệt; sự khác biệt cho bạn biết liệu lớp tiếp giáp hay tản nhiệt là nút thắt cổ chai của bạn. Điều chỉnh cái rẻ hơn trước.
Tài nguyên liên quan
- Về BQUQ và dây chuyền sản xuất tại Dongguan của chúng tôi: /about/
- Toàn bộ dải sản phẩm tản nhiệt: /heat-sinks/
- Profile tản nhiệt đùn: /extruded-heat-sinks/
- Xu hướng ngành trong quản lý nhiệt: /industry-dynamics/
- Thư viện bài viết kỹ thuật: /bquq-blog/
- Câu hỏi thường gặp: /faq/
- Nghiên cứu điển hình: /case/
- Liên hệ đội ngũ kỹ thuật: /contact/
Được viết bởi Đội ngũ Kỹ thuật BQUQ. BQUQ (Dongguan) vận hành gia công CNC (±0,005 mm), dập kim loại, lò xo theo yêu cầu, và sản xuất tản nhiệt trong một nhà máy ISO9001. Nguồn trực tiếp từ Dongguan, Trung Quốc — báo giá trong 12 giờ: sc@bquq.com | WhatsApp +86 13713157787 | www.bquq.com
