סקירה מקיפה עבור ויא תרמי של PCB

א. מהם ויאסים תרמיים?

ויא תרמי הם אשכולות של ויא שתוכננו במיוחד להולכת חום במהירות משכבה אחת של מעגל מודפס (בדרך כלל השכבה העליונה או הפנימית שבה ממוקמים רכיבים המייצרים חום) לשכבות אחרות (במיוחד שכבת הנחושת התחתונה או שכבת הנחושת הפנימית). הם אינם צלעות חום אלא יעילים להולכת חום, מפזרים חום מ"מקור החום" לאזור נחושת גדול יותר על גבי המעגל המודפס, שם הוא מתפזר באמצעות הסעה וקרינה.

II. תפקידים ומטרות מרכזיים

1. הפחתת התנגדות תרמית: לשבבים (במיוחד עם פדים בתחתית, כגון QFN, DFN ו-BGA) יש התנגדות תרמית גבוהה לאוויר. מערכי ויה מוליכים חום לאזור גדול של נייר נחושת בתחתית או בשכבות הפנימיות של המעגל המודפס, מה שמפחית משמעותית את ההתנגדות התרמית הכוללת מהחיבורים לסביבה.

2. פיזור ופיזור חום: פיזור חום מנקודה (מקור חום) לאזור גדול יותר במהירות, מונע התחממות יתר מקומית.

3. חיבור למבנים תרמיים: הולכת חום לחלק האחורי של המעגל המודפס, אשר תומכת גם בהתקנת גופי קירור חיצוניים, פיזור חום דרך המארז או חשיפה ישירה לזרימת אוויר.

ג. שיקולי תכנון מרכזיים

1. פריסה ומערך

● ממוקם מתחת למקור חום: בדרך כלל, יש למקם את ה-vias ישירות מתחת לרפידות התרמיות של התקנים המייצרים חום (כגון שבבים).

● יצירת מערך: שימוש במערך צפוף של ויא, במקום ויא בודדים. בדרך כלל מערך כמו מטריצה ​​או יצירת קווינקונקס, כדי למקסם את שטח הולכת החום.

2. דרך פרמטרים

● קוטר חור: בדרך כלל קוטר ויה קטן (למשל, 0.3 מ"מ - 0.5 מ"מ). קטרים ​​קטנים יותר מאפשרים יותר ויה בתוך שטח מוגבל, מה שמגדיל את שטח החתך הכולל של הולכת החום. עם זאת, יש לקחת בחשבון את יכולות התהליך של יצרן המעגל המודפס (קוטר חור מינימלי).

● עובי נחושת על דופן החור: יש למקסם את עובי הנחושת של דפנות החור. יש לציין בפני יצרן המעגל המודפס "מילוי נחושת עבה" או "ציפוי דופן חור עבה יותר" (למשל, 30 גרם או יותר). זוהי אחת הדרכים היעילות ביותר לשיפור מוליכות תרמית.

● מרווחים: המרחק בין פתחי החיבור הוא בדרך כלל בערך כפול מקוטר החור כדי להבטיח טבעות נחושת מספקות ולמנוע שבירה של החור במהלך הקידוח. מרווח חיבור צפוף מדי עלול להוביל לבעיות שלמות האות (יצירת חללי תהודה) או לקשיי ייצור.

3. חיבור שכבות ומסיכת הלחמה

● חברו את כל שכבות הנחושת הגדולות האפשריות: באופן אידיאלי, חיבורי ויה תרמיים צריכים להתחבר לכל מישורי החשמל/הארקה הפנימיים ולנייר הנחושת התחתון. זה שקול לחיבור מקור החום ל"מסה תרמית" גדולה.

● פתחי מסיכת הלחמה: בגב (השכבה התחתונה) של המעגל המודפס, באזור המתאים למעבר, יש ליצור פתחי מסיכת הלחמה (כלומר, למנוע ממסיכת הלחמה לכסות את הנחושת והמעברים). זה מאפשר:

* לפזר חום ישירות לאוויר.

* קל להלחמה של גופי קירור נוספים או בלוקי מתכת.

* ניתן למרוח גריז תרמי במידת הצורך.

4. חיבור לשכבות נחושת פנימיות

● יש לחבר את הוויות במלואן לשכבות הנחושת הפנימיות (חיבור הצפה), ללא שימוש בחיבורי הקלה תרמית. לפיזור חום, אנו זקוקים לנתיב ההתנגדות התרמית הנמוך ביותר.

IV. שיקולים בסימולציה תרמית

בעת ביצוע סימולציות תרמיות בתוכנת EDA (כגון ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim וכו'):

● יש לדמות את מערך ה-via כבלוק מוליך תרמית שווה ערך, עם מוליכות תרמית שווה ערך הגבוהה בהרבה מזו של חומר FR-4 רגיל.

● המודל צריך לקחת בחשבון גורמים כגון עובי נחושת דופן, חומר מילוי (אוויר או שרף) וצפיפות אריזה כדי לחשב את המוליכות התרמית המקבילה.

● המטרה העיקרית של הסימולציה היא להעריך את ההשפעה של עיצובי ויה שונים על טמפרטורת צומת השבב ועל פיזור טמפרטורת פני השטח של המעגל המודפס.

V. טכניקות מתקדמות ווריאציות

1. ויאסים מלאים:

● מילוי מוליך: ממולא במשחת נחושת או שרף אפוקסי מוליך, המציע מוליכות תרמית מצוינת אך בעלות גבוהה.

● חומר מילוי לא מוליך: ממולא בשרף ולאחר מכן מצופה על פני השטח (VIPPO). מטרתו העיקרית היא למנוע אובדן משחת הלחמה במהלך הרכבה בצד הקדמי של השבב, והוא גם מספק שיפור מסוים במוליכות תרמית (טובה יותר מאוויר).

● חומר מילוי שרף אפוקסי מוליך תרמית: ממולא בחומר מבודד מיוחד בעל מוליכות תרמית גבוהה, המשפר את המוליכות התרמית תוך הבטחת בידוד חשמלי.

2. ישים למכשירים בעלי הספק גבוה: 

ויא תרמי חיוניים עבור טרנזיסטורי MOSFET, ממירי DC-DC לזרם גבוה וכו'. הם ממוקמים בדרך כלל על פני שטח גדול מתחת למכשיר.

3. אמצעי זהירות:

● שלמות האות: מערך צפוף של ויא עלול לשבש את מישור הייחוס מתחת לקווי אות במהירות גבוהה (במיוחד מיקרוגל ותדר רדיו), וליצור אי-רציפות. נדרשת הערכה דיסקרטית.

● בעיות הלחמה: אם ה-Via נמצאים ישירות על פדי הרכבה משטחית (במיוחד פדים עבור שבבים קטנים), אטימה נכונה של מסיכת הלחמה חיונית כדי למנוע אובדן משחת הלחמה במהלך הלחמת Reflow, מה שמוביל לחיבורי הלחמה קרים.

ו. סיכום התכנון

1. זיהוי מקורות חום: אתר את הרכיבים העיקריים המייצרים חום על גבי המעגל המודפס.

2. תכננו את המסלולים לפיזור החום: קבעו איזו שכבה (בדרך כלל האחורית) תוליך חום.

3. הצבת מערך ויות: הנח ויות צפופות בקוטר קטן מתחת לרפידות התרמיות של המכשיר.

4. הגדרה דרך מאפיינים: ציין נחושת מעובה דרך קיר, המחוברת לכל שכבות הנחושת הרלוונטיות.

5. מסכת הלחמה: ודא שיש פתחים במסכת הלחמה באזורי פיזור החום האחוריים.

6. בדיקת DFM: יש לתקשר עם יצרן ה-PCB כדי לאשר את היתכנותם ועלותם של תהליכים כגון קוטר חור, עובי נחושת ומילוי דרך המעגלים.

7. ביצוע סימולציה תרמית: אימות יעילות התכנון.

לסיכום, ויא תרמי של PCB הם שיטה זולה ויעילה גבוהה לפיזור חום מובנה. המטרה העיקרית היא "ניצול כל שכבת הנחושת של ה-PCB כגוף קירור". תכנון ויא הוא המפתח לניהול תרמי מוצלח, במיוחד באלקטרוניקה של הספק ובמכשירים קומפקטיים.

חברת Benlida מייצרת מעגלים מודפסים (PCB) ומעגלים מודפסים (PCBAs) כבר 14 שנים, והיא הקימה מערכת ייצור: החל מציוד מתקדם ועד צוות הנדסה, החל מבקרת תהליכים ועד שרשרת אספקה ​​חזקה. יש לנו תהליכי ייצור בוגרים מאוד עבור ויא תרמי של PCB, אם אתם זקוקים ל-PCB בהתאמה אישית, אנא צרו קשר עם Benlida!