Подробный обзор тепловых переходных отверстий на печатных платах

I. Что такое тепловые переходные отверстия?

Теплопроводящие переходные отверстия представляют собой скопления таких отверстий, специально разработанные для быстрого отвода тепла от одного слоя печатной платы (обычно верхнего или внутреннего слоя, где расположены компоненты, выделяющие тепло) к другим слоям (особенно к нижнему медному слою или внутреннему медному слою). Они не являются радиаторами, а скорее эффективно проводят тепло, рассеивая его от «источника тепла» на большую площадь медного слоя печатной платы, где тепло рассеивается за счет конвекции и излучения.

II. Основные функции и цели

1. Снижение теплового сопротивления: Микросхемы (особенно с контактными площадками на нижней стороне, такие как QFN, DFN и BGA) обладают высоким тепловым сопротивлением воздуху. Массивы переходных отверстий передают тепло на большую площадь медной фольги на нижней или внутренней стороне печатной платы, значительно снижая общее тепловое сопротивление от соединений к окружающей среде.

2. Распределение и рассеивание тепла: Быстрое рассеивание тепла из одной точки (источника тепла) на большую площадь предотвращает локальный перегрев.

3. Подключение к тепловым структурам: передача тепла на обратную сторону печатной платы, что также позволяет устанавливать внешние радиаторы, рассеивать тепло через корпус или обеспечивать прямое воздействие воздушного потока.

III. Ключевые аспекты проектирования

1. Расположение и массив

● Расположены под источником тепла: Как правило, переходные отверстия располагаются непосредственно под теплоотводящими площадками устройств, выделяющих тепло (например, микросхем).

● Формирование массива: Использование плотно упакованного массива переходных отверстий, а не отдельных переходных отверстий. Обычно используется структура типа матрицы или квинкункса для максимизации площади теплопроводности.

2. Через параметры

● Диаметр отверстий: Как правило, используются малые диаметры переходных отверстий (например, 0,3–0,5 мм). Меньший диаметр позволяет разместить больше переходных отверстий на ограниченной площади, увеличивая общую площадь поперечного сечения для теплопроводности. Однако необходимо учитывать технологические возможности производителя печатных плат (минимальный диаметр отверстий).

● Толщина меди на стенках отверстий: Максимально увеличьте толщину меди на стенках отверстий. Укажите производителю печатных плат «толстый слой меди» или «более толстое покрытие стенок отверстий» (например, 1 унция или более). Это один из наиболее эффективных способов повышения теплопроводности.

● Расстояние между переходными отверстиями: Расстояние между центрами переходных отверстий обычно примерно вдвое превышает диаметр отверстия, чтобы обеспечить достаточное количество медных колец и избежать повреждения отверстий во время сверления. Слишком большое расстояние может привести к проблемам с целостностью сигнала (создание резонансных полостей) или трудностям при производстве.

3. Соединение слоев и паяльная маска

● Соедините все возможные крупные медные слои: В идеале, тепловые переходные отверстия должны соединяться со всеми внутренними плоскостями питания/заземления и нижней медной фольгой. Это эквивалентно соединению источника тепла с большой «тепловой массой».

● Отверстия в паяльной маске: На обратной (нижнем) слое печатной платы, в области, соответствующей переходным отверстиям, обязательно создайте отверстия в паяльной маске (т.е. предотвратите закрытие медных проводников и переходных отверстий паяльной маской). Это позволит:

* Отводите тепло непосредственно в воздух.

* Легко припаивать дополнительные радиаторы или металлические блоки.

* При необходимости можно нанести термопасту.

4. Подключение к внутренним медным слоям

● Переходные отверстия должны быть полностью соединены с внутренними медными слоями (сплошное соединение), без использования теплоотводящих перекрестных соединений. Для рассеивания тепла необходим путь с наименьшим тепловым сопротивлением.

IV. Вопросы, рассматриваемые в тепловом моделировании

При выполнении тепловых симуляций в программном обеспечении EDA (например, ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim и др.):

● Массив переходных отверстий необходимо моделировать как эквивалентный теплопроводящий блок с эквивалентной теплопроводностью, значительно превышающей теплопроводность обычного материала FR-4.

● Для расчета эквивалентной теплопроводности модель должна учитывать такие факторы, как толщина медной стенки переходного отверстия, наполнитель (воздух или смола) и плотность упаковки.

● Основная цель моделирования — оценить влияние различных вариантов конструкции переходных отверстий на температуру перехода кристалла и распределение температуры поверхности печатной платы.

V. Передовые техники и вариации

1. Заполненные сквозные отверстия:

● Проводящий наполнитель: Наполнитель из медной пасты или проводящей эпоксидной смолы, обеспечивающий превосходную теплопроводность, но имеющий высокую стоимость.

● Непроводящий наполнитель: заполняется смолой, а затем покрывается поверхностным слоем (VIPPO). Его основное назначение — предотвращение потери паяльной пасты во время монтажа микросхемы на лицевую сторону, а также улучшение теплопроводности (лучше, чем у воздуха).

● Теплопроводящий эпоксидный наполнитель: Наполнен специальным теплопроводящим изоляционным материалом, улучшающим теплопроводность и обеспечивающим электрическую изоляцию.

2. Применимо к мощным устройствам: 

Теплоотводящие переходные отверстия необходимы для МОП-транзисторов, сильноточных DC-DC преобразователей и т. д. Обычно они располагаются на большой площади под устройством.

3. Меры предосторожности:

● Целостность сигнала: Плотное расположение переходных отверстий может нарушить опорную плоскость, находящуюся под высокоскоростными сигнальными линиями (особенно микроволновыми и радиочастотными), создавая разрывы. Требуется дискретная оценка.

● Проблемы пайки: Если переходные отверстия расположены непосредственно на контактных площадках поверхностного монтажа (особенно на площадках для небольших микросхем), то для предотвращения потери паяльной пасты во время пайки оплавлением, что приводит к холодным паяным соединениям, крайне важно правильно закрывать их защитной маской.

VI. Краткое описание проекта

1. Определение источников тепла: Найдите основные компоненты, выделяющие тепло, на печатной плате.

2. Спланируйте пути отвода тепла: определите, какой слой (обычно задний) будет проводить тепло.

3. Размещение массива переходных отверстий: Разместите плотные переходные отверстия малого диаметра под термопрокладками устройства.

4. Настройка свойств: Укажите утолщенную медную сквозную стенку, соединяющую все соответствующие медные слои.

5. Паяльная маска: Убедитесь, что отверстия паяльной маски расположены в зонах рассеивания тепла на задней стороне платы.

6. Контроль DFM: Свяжитесь с производителем печатных плат, чтобы подтвердить осуществимость и стоимость таких процессов, как диаметр отверстий, толщина медного слоя и заполнение переходных отверстий.

7. Проведите тепловое моделирование: проверьте эффективность конструкции.

Вкратце, теплоотводящие переходные отверстия на печатных платах — это недорогой и высокоэффективный метод отвода встроенного тепла. Основная цель — «использование всего медного слоя печатной платы в качестве радиатора». Проектирование переходных отверстий имеет ключевое значение для успешного управления тепловыми процессами, особенно в силовой электронике и компактных устройствах.

Компания Benlida занимается производством печатных плат и сборок печатных плат уже 14 лет и создала отлаженную производственную систему: от современного оборудования до инженерной команды, от контроля технологических процессов до надежной цепочки поставок. У нас очень хорошо отлажены производственные процессы для тепловых переходных отверстий на печатных платах. Если вам нужна печатная плата по индивидуальному заказу, пожалуйста, свяжитесь с Benlida!