אסטרטגיות לייצור פקיבי רב שכבה עם התפשטות חום יעילה ווויא טמפרטי

אתגר ה- Multi-La PCByers

אלקטרוניקה גבוהה ביצועים דורשים קומפקטי, רב שכבתי מעגלים מודפסים לוחות (PCBs) כי לארוז יותר פונקציונליות לתוך טביעות רגל קטנות יותר. עם הגדלת נחיתות כוח, ניהול חום הפך לאימון עיצוב קריטי.ללא ניהול תרמי מתאים, כתמים חמים מקומיים יכולים degrade ביצועים, להאיץ את העייפות המשותפת מכרה, וקיצור חיי המוצר תוחלת חיים.

מימון של דיסipation Heat ב Multi-Layer

חום ב- PCB נוצר בעיקר על ידי רכיבים פעילים כגון מעבדים, מגברי חשמל, ומפקחי מתח.חום זה פועל דרך הלוח & #8217; שכבות וחייב להיות מועבר לשקע חום, שאסי, או אוויר יעיל. לוחות רב-שכבות מורכבות מורכב משינוי של סקנדל נחושת ושכבות טרום-פרואלקטריות.

המדדים המרכזיים לניהול תרמי הם מוליכות תרמית (W/mK) של חומרים, עובי שכבתי, והשטח החצי-שטח של נחושת זמין להפצתו.בעוד של-ארבע יש מוליכות תרמית של בערך 0.3 W/mK, מטוסי נחושת מציעים 385 W/mK, ומכאן, למקסם את אזור נחושת וקישוריות הוא חיוני.בנוסף, מספר השכבות והערימות של ההשפעה של כמה חום ומאוחר יותר.

אסטרטגיות לבישול יעיל

מיקסום מטוס Copper Flight Optimization

נחושת גדולה מוזמנת המחוברת לרכיבים לייצור חום לפעול כמו מפיץ חום אשר מונע חום מן נקודות חמות.עבור התוצאות הטובות ביותר, להשתמש באזורי נחושת רציף על שכבות מרובות ולחבר אותם עם מגוון של תרמי באמצעותs. Thicker נחושת (למשל, 2 oz או 3 oz ל רגל מרובע) משפר באופן משמעותי את התפשטות מאוחר יותר, כי התנגדות תרמית היא יחסית עובי נחושת.

מניחים מטוסים נחושת על שכבות חיצוניות ישירות מתחת לרכיבים, ולחבר אותם לקרקע פנימית או למטוסי חשמל. להימנע מפיצול מתחת למרכיב עם איים מבודדים קטנים; במקום זאת, לשמור על המטוס מוצק.אם דרישות זהות מתחלקות, להשתמש בדחוסות באמצעות תפרים על מנת לשמור על עמידות חשמלית נמוכה ולעזור רציפות תרמית.

המונחים: Layer Stack-Up

סידור השכבות משפיע על הנתיב התרמית האנכי.באופן אידיאלי, מרכיבים ליצירת חום צריכים להיות ממוקמים על אותה שכבה כמו מטוס קרקע גדול או כוח, עם דרך תרמית המחברת את המטוס הזה לשכבות אחרות. A סימטרית ערימה (למשל, אותות-Ground-Ground-Power-Signal) לא רק מקטין את דף המלחמה אלא גם מבטיח כי מטוסים פנימיים יכולים לשאת חום משני הצדדים של לוח זמנים תרמיים, אלא גם יכול ליצור מקלות ישירות על ידי מעגלים קצרים, אלא גם על ידי מעגלים סגורים, אלא גם על ידי מתכתבים חזקים יותר, או ממתכת נמוכה יותר, אלא גם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, או ממתכת, אם כן, יכול להיות מסוגלות, אם כן, או ממתכת, או ממתכת סגורה, אם כן, או ממתכת סגורה, אם כן, אם כן, יכול גם כן, יכול גם כן, יכול גם כן, אם כן, יכול גם כן, יכול להיות מסוגל גם כן, יכול להיות מסוגל גם כן, אם כן, אם כן, יכול להיות מסוגל לקחת חום, אם כן, כדי למנוע מקליד, אם כן, כדי למנוע מקליד, אם כן, אם כן, אם כן, אם

Thermal Pads, Heat Sinks, and Interface Materials

עבור רכיבים עם פיזור חשמל גבוה, לצרף כיור חום חיצוני באמצעות כריות דבק תרמי או גריז תרמיים תרמיים. PCB עצמו יכול גם לשלב כיור חום משולב & #8212; לדוגמה, על ידי שימוש בטכנולוגיית מתכת-core (MCPCB) שבו אלומיניום או נחושת substrate מחובר לשכבה dielectric. גישה זו מספקת עלייה מעולה אבל עלות ומשקל חלופית, יכול לשקול ישירות על גבי משטח חום (TIM) באופן ישיר בין ה-TK).

עבור יישומים הזקוקים לאמינות גבוהה, לשקול הטמעת מלאי קרמיקה קרמיקה מוליכים תרמיים (למשל, בורון nitride או oxide) בשכבות dielectric.חומרים אלה, המוצעים על ידי מספר ספקים של laminate, יכול להכפיל או משולש את מוליכות תרמית של תת-קרקעית ה- PCB substrate.

בחירת חומרים עבור סובסטרטים ו Prepregs

FR-4 סטנדרטי הוא זול אך עני להפצת תרמיים.עבור עיצובים בעלי עוצמה גבוהה, ללומות אלטרנטיביות כוללים:

• (FLT:0) באופן פולימיידידפל 1 ו-#8211; סובלנות טמפרטורה גבוהה יותר (~260 מעלות צלזיוס) ו מוליכות תרמית טובה יותר (0.4 W/mK).
• (ב) [13]:0 (הופנה מהדף ⁇ ) , ⁇ (=0) ; ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0)Ceramic מלא PTFE מורכבsveFLT:1 ו-#8211; לספק התנהגויות תרמיות בטווח 1 & #8211; 4 W / mK עבור דרישות RF וכוח.

בעת בחירת חומרים, לשקול את טווח הטמפרטורה התפעולית, coefficient של הרחבה תרמית (CTE) התאמה, ועלות. עבור עיצובים באמצעות ספירות שכבה גבוהה, להבטיח כי חומרים prepreg יש מספיק מוליכות תרמית עבור היישום המיועד. מדגמים רבים מציעים מדריכים בחירה חומרית כי רשימה תכונות תרמיות; להתייעץ מוקדם אלה בתהליך העיצוב.

יישום Thermal Vias עבור שיפור העברת חום

דרך תרמית הם חורים נחושת-לוח המאפשר חום לנוע אנכי דרך הלוח, מן הצד המרכיב אל מטוסים פנימיים או הצד השני השני השני הפוך.כאשר הם מעוצבים כראוי, הם יכולים להפחית את ההתנגדות התרמית מן הצומת הרכיב ועד כיור חום על ידי סדר גודל.

Via Placement Proximity to Heat מקורות

להציב תרמי דרך קרוב ככל האפשר למקור החום, באופן אידיאלי בתוך טביעת הרגל של המכשול.עבור רכיבי כוח עם כריות קרקע גדולות (למשל, חבילות QFN עם משטח חשוף), לארגן מערך של דרך ישירות מתחת למשטח.המרחק המקסימלי שדרך דרך צריכה להיות ממקור החום תלוי ביכולת התפוצה המאוחרת של המטוס הנחושה; כלל של הוא לשמור באמצעות סט בין 0.5 מ"מ ל- 1.0.

גודל ועוצמה, דנסליות וגיאומטריה

גדול יותר באמצעות קוטרים (0.3 מ"מ ל- 0.5 מ"מ) לספק התנגדות תרמית נמוכה יותר לכל דרך כי הם נושאים יותר שטח נחושת.עם זאת, דרך גדולה יכולה להפחית את צפיפות הייצור ואת עלויות הייצור. גישה יעילה יותר היא להשתמש ברשת צפופה של דרך קטנה יותר (למשל, 0.25 מ"מ קוטר, 0.5 מ"מ) כדי למקסם את שטח נחושת חוצה שטח.

כמה מעצבים משתמשים מיקרו-vias (laser-drilled, קוטר ⁇ 0.15 מ"מ) כדי לארוז אפילו יותר נתיבים תרמיים תחת רכיבים קטנים.מיקרווויהs יש התנגדות תרמית נמוכה יותר על ידי עקב דרישות מטבוליות רזה, ואת צפיפות גבוהה שלהם יכול להשיג ביצועים תרמיים מצוינים.עם זאת, הם מוסיפים עלות ועשויים לדרוש חידה.

« הגשמה ו-Platting

תרמי ריק דרךs יכול מלכודות אוויר, אשר פועל כמו אינסטלטור.מלא דרך עם פס מולי (בדרך כלל נחושת או epoxy מלא כסף) או עם עומס נחושת (באמצעות תהליך של שימוש ב- Tablet) מבטל כיסים אוויר ולהפחית התנגדות תרמית. עבור עיצובים מתקדמים, ציין באמצעות לוח עם נחושת מלא וכובעים באמצעות (VIP) כדי לשפר את האמינות או למנוע גירוי חום.

אם דרך נשארת ללא מילוי, לוודא שהם מחוברים או מכוסים במסכת מכר כדי למנוע זיהום. עבור גל נמכר, דרךים אוהלים (מכוס בצד אחד) ניתן להשתמש, אבל לאורת ציונים ביצועים תרמיים.

שכבת קישוריות ו-Via Stacking

כל תרמי באמצעות צריך להתחבר כמה שיותר מטוסים נחושת פנימיים.השכבות הנחושות יותר דרך נגיעה, ההתנגדות התרמית יותר אל פנים הלוח.בלוח 10layer, דרך זה הוא חלק של מבנה מיקרו-via ערימה (חיבור מלמעלה למטה דרך שכבות מרובות) מספק תחבורה חום אנכית מעולה. סטוגר באמצעות (הסתה בין שכבות) הם גם נפוצים אבל להוסיף יותר inducance; עבור רק כדי להבטיח אוויר חם או גבולות עד כדי לא ניתן לערומים עד כדי חימום.

ניתוח סימבולי והניתוח הירומלי

לפני ייצור לוח, השתמש תוכנת סימולציה תרמית (למשל, Ansys Icepak, SolidWorks Flow Simulation, או Altium Designer עם הרחבות תרמיות) כדי לאמת את העיצוב. CFD (דינמיקה נוזלית חלקיקים) כלים מודל התנהגות, convective, ורדיוור חימום בתוך הפלטים של מבנה וחום.

פרמטר חשוב הוא ההתנגדות התרמית מצומת אל ambient (R ⁇ ja) סימבול יכול להעריך כיצד שינויים בספירה, באמצעות קוטר, עובי הצלחת להשפיע על R ⁇ ja. מטרות אופייניות עבור ASICs כוח גבוה יכול להיות מתחת 10 K / W צומת-to-case, וסימולציה מסייעת לקבוע את המספר הדרוש של מחשבון דרך רבים.

כולל תנאי גבול ברמת לוח כגון זרימת אוויר (טבעי או מאולץ) וטמפרטורה מחלחלת.עבור קירור פסיבי במערכות סגורות, סימולציה של המתחם & #8217; קרינה פנימית וזיהום טבעי.שימוש במודל סימולציה מאומת מפחית סיכון בונה אמון בעיצוב התרמית.

עיצוב עבור Manufacturability (DFM) של Thermal Vias

באמצעות גירוי יתר יכול לגרום בעיות ייצור.כאשר מציין מערך צפוף של דרך, לשקול את הפעולות הבאות:

• (FLT:0) נקה-ל-עפר:FLT 1 הבטחת דרך אינה ממוקמת קרוב מדי לשרידים או דרך אחרת כדי להימנע מתרגול נדודים או מסלקציה.
• יחס ה-FLT:0 (Aspect יחס: 1) עבור דרך החור דרך החור, עובי הלוח ביחס לקוטר החור צריך להיות נשמר מתחת ל 16:1 עבור יחסי מדרגה גבוהה יותר עלול לגרום למכשולים ולהתנגדות גבוהה יותר.
• (ב) ,0) , כתיב: "הבא" (ב) ויקרא י"ד): "ה'ו" (ב)"ב"ד)" (ב"ד) "ה') "ה'" (ב"ב)"ה', "ה'וַיָּעֹאֶתִירְתְלֹאֶתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתְעָעָעָעָעָעָעָעָבְתִיתִיתִּיִנְתִיתִיתִּיִדְתִיתִיתִּיִנְתִּיִנְתִּיִנְתִּיִדְתִּיִדְתִּיִדְתִּיִדְתִּיִנְתִּיִבְתְתְתָּבְבְהָבְתְתָּבְתִּיִנְתָּבְבְבְבְבְתָּבְתָּעָעָעָעָבְת
• (FLT:0)Filling and capping:FLT:1 , copper מלא דרך צריך להיות מכוסה משטח נחושת שטוח כדי לאפשר מיקום רכיב ישירות מעל. Check יצרנים & #8217; יכולות בנוגע ל-VIPPO (באמצעות לוח זמנים)
• (FLT:0) אפקט יושרה שפיר: FLT:1 Dense באמצעות מערךים יכול ליצור הפסקות של חוסר עכבות. עבור אותות מהירים, להימנע מגלישה של רשתות קריטיות דרך אזורים דרך חישה, אלא אם כן יש צורך.

עובד קרוב עם יצרן ה- PCB שלך בשלב העיצוב כדי להגדיר מפרטים ריאליים עבור באמצעות גדלים, מלא ומשקל נחושת.ממריצים רבים מספקים מדריכי עיצוב FLT:0 עבור תרמי באמצעות sigph1 הכולל ממדים וסובלנות המומלצים.

טכניקות מתקדמות לביקושים קיצוניים

עבור יישומים כגון ממיר חשמל, תאורה LED או בקרים מוטוריים רכב, טכניקות קונבנציונליות עשוי להיות לא מספיק.חשב פתרונות מתקדמים אלה:

• (FLT:0) טבעה את שוק החום: 1.10REFIRECT 1 (copper orאלומיניום) בתוך חלל ב- PCB במהלך ההלמכה.הבלוק ישירות יוצר ו-#8217; הוא חוזר דרך ממשק תרמי וניתן להרחיב אותו ל-Assasss.
• (FLT:0) קירור אלקטרו-אוסמוטי: FIRLT:1 ערוצים מיקרופלודיים המשולבים בתוך ה- PCB יכולים להפיץ קריר כדי להסיר חום.למרות עדיין מתפתח, טכניקה זו יכולה להתמודד עם גלי חום מעל 100 W / 2.
• (FLT:0) גריפיט Sheets (PGS): PGS:FLT:1, גליונות גרפיט גמישים עם מוליכות תרמית בתוך מטוס עד 1500 W / mK ניתן להשחית בין שכבות או מחובר חיצוני כדי להפיץ חום מאוחר יותר לפני הפנייתו דרך.
• (FLT:0) צינורות חום משולבים: 1FLT 1 תאים קטנים או צינורות חום ניתן להטמיע לתוך ה- PCB כדי להעביר חום לקרנות קירור מרחוק.

כל טכניקה מתקדמת מוסיפה עלות ומורכבות, כך להעריך את היתרון התרמי לעומת נפח התקציב והייצור. עבור אבטיפוס או ייצור בינוני, מדגמים רבים מציעים אפשרויות PCB מתכת-core כי הם יעילים וסבירים היטב.

Best Practices for thermal Design Review

כדי להימנע מכשלים תרמיים בשלב מאוחר, לשלב סקירה תרמית לתוך רשימת עיצוב PCB.

• לזהות את כל הרכיבים מתפזרים יותר מ-0.5 W מוקדם בשלב הפריסה.
• לחתום על שכבת נחושת ייעודית (בדרך כלל GND) להפצת תרמיים; להימנע מ הפסקות ניתוק דרך זה.
• טמפרטורות צומת סימולט עבור תנאים קשים ועומס.
• השתמש מינימום של שני דרכי תרמיות תחת כל מרכיב עם משטח חשוף מדורג מעל 1 W.
• קרוס-קדוק באמצעות קוטר וגלישה עם כללי בדטור DFM.
• הבטחת באמצעות מילוי תואמת לאסיפה (לא מכרה רִיק, ללא הגזים).
• שקול להוסיף מטוס תרמי בצד התחתון עם ממשק כיור חום.
• עבור pitch BGAs, השתמש מיקרווויה בתוך המשטח עבור קישוריות תרמית וחשמלית.

לאחר שיטות אלה הטוב ביותר יוביל עיצובים חזקים העומדים מפרטים תרמיים ומבחנים לעבור.

מסקנה

ניהול חום יעיל ב- PCB רב-שכבות דורש גישה הוליסטית: אופטימיזציה של מטוסים נחושת להפצת מאוחר יותר, בחירת חומרים תת-סטרוטיים מוליכים תרמיים, וליישם תרמי תוכנן היטב באמצעות תחבורה חום אנכית. ⁇ כלים לעזור לאמת ביצועים לפני ייצור, בעוד שיתוף פעולה DFM מבטיח עיצוב הוא מניטורציה. על ידי שילוב אסטרטגיות אלה, מהנדסים יכולים ליצור מוצרים אמינים כי טיפול גדל כוח ללא ביצועים מתקדמים ובדיקה משולבת סימולציה מתקדמת.