Стратегии создания многослойных ПХБ с эффективным теплораспределением и тепловыми лучами

Введение: Тепловой вызов в многослойных ПХД

Высокопроизводительная электроника требует компактных многослойных печатных плат (PCB), которые упаковывают больше функциональности в меньшие площади. С увеличением плотности мощности управление теплом стало критическим ограничением проектирования. Без надлежащего управления тепловой энергией локализованные горячие точки могут ухудшить производительность компонентов, ускорить усталость припоя и сократить срок службы продукта. Инженеры должны принять преднамеренные стратегии для распространения тепла и тепловой через реализацию для поддержания рабочих температур в безопасных пределах. Эта статья предоставляет всеобъемлющее руководство по проектированию многослойных печатных плат с эффективным рассеиванием тепла, охватывающим выбор материала, оптимизацию медной плоскости, термическую через проектирование, методы моделирования и производственные соображения.

Основы рассеивания тепла в многослойных ПХБ

Тепло в ПХД генерируется в основном активными компонентами, такими как процессоры, усилители мощности и регуляторы напряжения. Это теплопроводность через слои платы & #8217;s и должна быть передана в радиатор, шасси или окружающий воздух. Многослойные платы состоят из чередующихся листов медной фольги и диэлектрических слоев предварительного отбора. Диэлектрические материалы (обычно FR-4, полиимид или керамические заполненные ламинаты) имеют низкую теплопроводность по сравнению с медью, которая улавливает тепло, если не правильно маршрутизированы. Эффективная тепловая конструкция направлена на минимизацию теплового сопротивления от соединения компонентов до конечного радиатора, обеспечивая пути низкого давления для теплового потока.

Ключевыми показателями для управления теплом являются теплопроводность (W/m·K) материалов, толщина слоя и площадь поперечного сечения меди, доступная для распространения. В то время как FR-4 имеет теплопроводность около 0,3 Вт/м·К, медные плоскости предлагают 385 Вт/м·К. Следовательно, максимизация площади меди и соединения имеет важное значение. Кроме того, количество слоев и симметрия стекапов влияют на то, как тепло распространяется вертикально и боково.

Стратегии эффективного распространения тепла

Оптимизация медного самолета

Большие медные ливни, соединенные с теплогенерирующими компонентами, действуют как теплораспределители, которые проводят тепло от горячих точек. Для достижения наилучших результатов используют непрерывные медные участки на нескольких слоях и соединяют их с массивами тепловых слоёв. Более толстая медь (например, 2 унции или 3 унции на квадратный фут) значительно улучшает боковое распространение, поскольку термостойкость обратно пропорциональна толщине меди. Однако более толстая медь увеличивает сложность травления и стоимость, поэтому дизайнеры должны сбалансировать тепловые характеристики с производственными ограничениями.

Поместите медные плоскости на внешние слои непосредственно под компонентами и соедините их с внутренними плоскостями земли или силовыми плоскостями. Избегайте расщепления меди под компонентом со многими небольшими изолированными островами; вместо этого сохраните плоскость твердой. Если требования к целостности сигнала вызывают расщепления, используйте плотную сшивку через расщепление для поддержания низкого электрического сопротивления и помощи тепловой непрерывности.

Оптимизированный стек слоя

Расположение слоев влияет на вертикальный тепловой путь. В идеале теплогенерирующие компоненты должны быть размещены на том же слое, что и большая земля или энергетическая плоскость, с тепловыми сквозняками, соединяющими эту плоскость с другими слоями. Симметричное стек-ап (например, Signal-Ground-Power-Signal) не только уменьшает деформацию, но и гарантирует, что внутренние плоскости могут переносить тепло с обеих сторон доски. Размещение тепловых сквозняков непосредственно под компонентной панелью или в тесной сетке создает путь с низким сопротивлением к погребенным плоскостям. Дизайнеры также должны рассмотреть возможность использования терморельефных спиц для подключения прокладок к плоскостям; твердое соединение обеспечивает лучшие тепловые характеристики, но может осложнить пайку.

Термальные пады, тепловые толчки и материалы интерфейса

Для компонентов с высокой мощностью рассеивания прикрепляйте внешние теплоотводы с использованием теплопроводящих клейких прокладок или термической смазки. Сама ПХД может также включать в себя интегрированные теплоотводы— например, с помощью технологии металлопрочных ПХД (MCPCB), где алюминиевая или медная подложка связана с диэлектрическим слоем. Этот подход обеспечивает отличное распространение, но увеличивает стоимость и вес. Альтернативно, дизайнеры могут использовать открытые медные прокладки на нижней стороне платы и устанавливать теплоотвод напрямую. Всегда учитывайте материал теплового интерфейса (TIM) между компонентом и теплоотводом; высококачественные TIM с проводимостью выше 3 Вт/м·К снижают сопротивление перехода к корпусу.

Для применений, требующих высокой надежности, рассмотрим встраивание теплопроводящих керамических наполнителей (например, нитрида бора или оксида алюминия) в диэлектрические слои. Эти материалы, предлагаемые несколькими поставщиками ламината, могут удвоить или утроить теплопроводность сквозной плоскости подложки ПХБ.

Отбор материалов для субстратов и препрегов

Стандартный FR-4 недорог, но беден для теплового распространения. Для мощных конструкций альтернативные ламинаты включают:

При выборе материалов учитывайте диапазон рабочих температур, коэффициент соответствия теплового расширения (CTE) и стоимость. Для конструкций с использованием подсчетов высокого уровня убедитесь, что материалы предварительного монтажа имеют достаточную теплопроводность для предполагаемого применения. Многие производители предлагают руководства по выбору материала, которые перечисляют тепловые свойства; проконсультируйтесь с ними на ранней стадии процесса проектирования.

Реализация тепловых лучей для улучшенной передачи тепла

Термические сквозняки представляют собой медно-покрытые отверстия, которые позволяют теплу перемещаться вертикально через доску, от стороны компонента к внутренним плоскостям или противоположной стороне. При правильной конструкции они могут снизить тепловое сопротивление от соединения компонента к теплоотводу на порядок. Ниже приведены критические параметры конструкции.

Сближение с источниками тепла

Размещать тепловые сквозняки как можно ближе к источнику тепла, в идеале в пределах зоны действия компонентной площадки. Для силовых компонентов с большими наземными прокладками (например, пакеты QFN с открытой прокладкой) располагать массив сквозняков непосредственно под прокладкой. Максимальное расстояние сквозной прокладки должно быть от источника тепла зависит от способности бокового распространения медной плоскости; эмпирическое правило заключается в том, чтобы поддерживать через шаг от 0,5 мм до 1,0 мм. Для лучшей производительности подключать несколько сквозных прокладок в схеме сетки, причем каждый через доставку тепла от компонента к плоскости ниже.

Через размер, плотность и геометрию

Более крупные диаметры (от 0,3 мм до 0,5 мм) обеспечивают более низкое тепловое сопротивление на сквозной основе, поскольку они несут больше площади меди. Однако большие сквозные отверстия могут снизить плотность маршрутизации и увеличить стоимость производства. Более эффективный подход заключается в использовании плотной сетки меньших сквозных сеток (например, диаметр 0,25 мм, высота шага 0,5 мм) для максимизации общей площади поперечного сечения меди. Отношение площади сквозного покрытия к общей площади под компонентом (процент покрытия сквозного покрытия) является ключевой метрической величиной; цель состоит в том, чтобы обеспечить покрытие от 30% до 50% для эффективной передачи тепла.

Некоторые конструкторы используют микровиас (лазерно-буреные, диаметр ≤ 0,15 мм) для упаковывания еще большего количества термических путей под небольшие компоненты. Микровиас имеют более низкое тепловое сопротивление на сугубо из-за более тонких требований к обшивке ствола, а их высокая плотность может достигать отличных тепловых характеристик. Однако они добавляют стоимость и могут потребовать последовательного ламинирования.

Через наполнение и покрытие

Пустые тепловые сквозняки могут улавливать воздух, который действует как изолятор. Заполнение сквозняков проводящей пастой (обычно медной или наполненной серебром эпоксидной пастой) или медной обшивкой (через процесс накладки) устраняет воздушные карманы и снижает тепловое сопротивление. Для высокопроизводительных конструкций укажите сквозную прокладку с заполненными медью и заклепанными сквозняками (VIPPO) для повышения надежности как тепловых, так и припоев. Проводящие заливки также помогают предотвратить опорожнение во время пайки с обратным потоком, что в противном случае может вызвать компонентную обивку или ненадежные соединения.

Если сквозняки остаются незаполненными, убедитесь, что они заглушены или покрыты маской припоя, чтобы предотвратить загрязнение. Для волновой пайки могут использоваться сквозные сквозняки (покрытые с одной стороны), но сквозняк ухудшает тепловые характеристики. Лучшие тепловые характеристики исходят из полностью заполненных медью сквозняков, которые подключаются непосредственно к компонентной площадке.

Слойное соединение и Via Stacking

Каждый тепловой через должен соединяться с как можно большим количеством внутренних медных плоскостей. Чем больше слоев меди через прикосновения, тем ниже тепловое сопротивление внутренней поверхности платы. В 10-слойной плате, через которую находится часть уложенной микроволновой структуры (соединение сверху вниз через несколько слоев) обеспечивает отличный вертикальный теплотранспорт. Пороговые через (переход между слоями) также распространены, но добавляют больше индуктивности; для чисто тепловой проводимости, уложенные через не являются предпочтительными. Убедитесь, что плоскости, соединенные с через, не изолированы; они должны распространяться на края платы или в области, где тепло может быть передано в теплоотвод или окружающий воздух.

Моделирование и термический анализ

Перед изготовлением платы используйте программное обеспечение для теплового моделирования (например, Ansys Icepak, SolidWorks Flow Simulation или Altium Designer с тепловыми расширениями) для проверки конструкции. Инструменты CFD (вычислительная гидродинамика) моделируют проводящий, конвективный и радиационный теплообмен в печатной плате и корпусе. Ключевые выходы включают температуры перехода, температурные градиенты и местоположения горячих точек. Моделирование позволяет дизайнерам оптимизировать плотность, толщину меди и размеры теплоотвода без создания нескольких прототипов.

Важным параметром является термостойкость от перехода к окружающей среде (RθJA). Моделирование может оценить, как изменения в счетчике, диаметре и толщине пластин влияют на RθJA. Типичные цели для мощных ASIC могут быть ниже 10 K / W перехода к делу, и моделирование помогает определить необходимое количество тепловых сред. Многие производители печатных плат предоставляют онлайн-калькуляторы или руководящие принципы проектирования для оценки через тепловые характеристики. Например, Altium & #8217;s тепловой с помощью калькулятора может помочь измерить влияние с помощью параметров.

Включают граничные условия на уровне платы, такие как воздушный поток (естественный или принудительный) и температура окружающей среды. Для пассивного охлаждения в закрытых системах имитируют внутреннее излучение корпуса & #8217 и естественную конвекцию. Использование проверенной имитационной модели снижает риск и укрепляет уверенность в тепловой конструкции.

Дизайн для изготовления (DFM) термальных виас

Чрезмерная инженерия тепловых сквозняков может вызвать проблемы с производством. При определении плотного массива сквозняков рассмотрите следующее:

Работайте в тесном контакте с производителем ПХД на ранних этапах проектирования, чтобы установить реалистичные спецификации для размеров, наполнителей и медных весов. Многие производители предоставляют руководства по дизайну для тепловых слоёв, которые включают рекомендуемые размеры и допуски.

Передовые технологии для экстремальных тепловых требований

Для таких приложений, как преобразователи мощности, светодиодное освещение или автомобильные контроллеры двигателя, обычные методы могут быть недостаточными.

Каждая передовая техника добавляет стоимость и сложность, поэтому оценивайте тепловую выгоду по сравнению с бюджетом и объемом производства. Для прототипов или среднего объема производства многие производители предлагают варианты металлоядерных ПХД, которые являются экономически эффективными и хорошо зарекомендовавшими себя.

Лучшие практики для обзора теплового дизайна

Чтобы избежать поздних стадий термических сбоев, включите тепловой обзор в контрольный список конструкции ПХД.

Следование этим передовым методам приведет к созданию надежных конструкций, которые соответствуют тепловым спецификациям и проходят квалификационные испытания.

Заключение

Эффективное управление теплом в многослойных ПХД требует целостного подхода: оптимизация медных плоскостей для бокового распространения, выбор теплопроводных материалов подложки и реализация хорошо спроектированных тепловых сред для вертикального переноса тепла. Инструменты моделирования помогают проверять производительность перед изготовлением, в то время как сотрудничество DFM гарантирует, что конструкция является производной. Объединив эти стратегии, инженеры могут создавать надежные продукты, которые обрабатывают увеличение плотности мощности без ущерба для производительности. Постоянное улучшение посредством термического тестирования и уточнения моделирования будет держать конструкции конкурентоспособными в развивающемся электронном ландшафте.