Kattava yleiskatsaus piirilevyjen lämpöläpivienneistä

I. Mitä ovat lämpöläpiviennit?

Lämpöläpiviennit ovat läpivientiryppäitä, jotka on erityisesti suunniteltu johtamaan lämpöä nopeasti piirilevyn yhdestä kerroksesta (yleensä ylimmästä tai sisäkerroksesta, jossa lämpöä tuottavat komponentit sijaitsevat) muihin kerroksiin (erityisesti alempaan kuparikerrokseen tai sisempään kuparikerrokseen). Ne eivät ole jäähdytyselementtejä, vaan pikemminkin tehokkaita lämmönjohtavuuden kannalta, sillä ne hajottavat lämpöä "lämmönlähteestä" piirilevyn suurempaan kuparialueeseen, jossa se haihtuu konvektion ja säteilyn kautta.

II. Ydintoiminnot ja -tarkoitukset

1. Vähennä lämmönkestävyyttä: Piiripiireillä (etenkin pohjassa olevilla liitäntäpisteillä, kuten QFN-, DFN- ja BGA-piireillä) on korkea lämmönkestävyys ilmaa vastaan. Via-matriisit johtavat lämpöä suurelle alueelle kuparifoliota piirilevyn pohjassa tai sisäkerroksissa, mikä vähentää merkittävästi kokonaislämmönvastusta liitoksista ympäristöön.

2. Lämmön jakautuminen ja haihtuminen: Lämmön nopea haihduttaminen pisteestä (lämmönlähteestä) suuremmalle alueelle estää paikallisen ylikuumenemisen.

3. Yhteys lämpörakenteisiin: Lämmön johtaminen piirilevyn takaosaan, joka tukee myös ulkoisten jäähdytyselementtien asentamista, lämmön haihduttamista kotelon läpi tai suoraa altistumista ilmavirralle.

III. Keskeiset suunnittelunäkökohdat

1. Asettelu ja taulukko

● Lämmönlähteen alapuolella sijaitseva sijainti: Yleensä läpiviennit sijoitetaan suoraan lämpöä tuottavien laitteiden (kuten sirujen) lämpötyynyjen alapuolelle.

● Ryhmämuodostelma: Käytetään tiiviisti pakattua reikäryhmää yksittäisten reikien sijaan. Yleensä ryhmämuotoilu on matriisi- tai kvinkunksimuotoinen lämmönjohtavuusalueen maksimoimiseksi.

2. Parametrien kautta

● Reiän halkaisija: Tyypillisesti pienet läpivientireikien halkaisijat (esim. 0,3–0,5 mm). Pienemmät halkaisijat mahdollistavat useamman läpiviennin rajallisella alueella, mikä lisää lämmönjohtavuuden kokonaispoikkileikkauspinta-alaa. Piirilevyvalmistajan prosessiominaisuudet (reiän vähimmäishalkaisija) on kuitenkin otettava huomioon.

● Reiän seinämän kuparin paksuus: Maksimoi reiän seinämien kuparin paksuus. Määritä piirilevyn valmistajalle "paksu kuparitäyte" tai "paksumpi reiän seinämän pinnoite" (esim. 28 g tai enemmän). Tämä on yksi tehokkaimmista tavoista parantaa lämmönjohtavuutta.

● Väli: Via-aukkojen keskipisteiden välinen etäisyys on yleensä noin kaksinkertainen reiän halkaisijaan verrattuna, jotta varmistetaan riittävä määrä kuparirenkaita ja vältetään reiän rikkoutuminen porauksen aikana. Liian tiheä väli voi johtaa signaalin eheysongelmiin (muodostaen resonoivia onteloita) tai valmistusvaikeuksiin.

3. Yhdistävät kerrokset ja juotosmaski

● Yhdistä kaikki mahdolliset suuret kuparikerrokset: Ihannetapauksessa lämpöläpivientien tulisi olla kytkettyinä kaikkiin sisäisiin teho-/maadoitustasoihin ja pohjaan kuparifolioon. Tämä vastaa lämmönlähteen kytkemistä suureen "lämpömassaan".

● Juotosmaskin aukot: Piirilevyn takaosaan (pohjakerrokseen), läpivientiä vastaavalle alueelle, on tehtävä juotosmaskin aukot (eli estettävä juotosmaskia peittämästä kuparia ja läpivientireikiä). Tämä mahdollistaa:

* Haihduttaa lämpöä suoraan ilmaan.

* Helppo juottaa lisää jäähdytyselementtejä tai metallilohkoja.

* Lämpötahnaa voidaan käyttää tarvittaessa.

4. Yhteys sisäisiin kuparikerroksiin

● Läpiviennit tulee kytkeä kokonaan sisäisiin kuparikerroksiin (tulvaliitäntä) käyttämättä lämpöpoistoristikytkentöjä. Lämmön poisjohtamiseksi tarvitsemme pienimmän lämpöresistanssin omaavan reitin.

IV. Lämpösimulaatiossa huomioon otettavaa

Kun suoritat lämpösimulaatioita EDA-ohjelmistoissa (kuten ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim jne.):

● Läpivientimatriisi on mallinnettava vastaavana lämpöä johtavana lohkona, jonka vastaava lämmönjohtavuus on paljon suurempi kuin tavallisella FR-4-materiaalilla.

● Mallin on otettava huomioon tekijät, kuten seinämän kuparin paksuus, täyteaine (ilma tai hartsi) ja pakkaustiheys, jotta voidaan laskea ekvivalentti lämmönjohtavuus.

● Simulaation päätarkoituksena on arvioida erilaisten läpivientiratkaisujen vaikutusta sirun liitoskohdan lämpötilaan ja piirilevyn pinnan lämpötilajakaumaan.

V. Edistyneet tekniikat ja muunnelmat

1. Täytetyt läpiviennit:

● Johtava täyteaine: Täytetty kuparipastalla tai johtavalla epoksihartsilla, jolla on erinomainen lämmönjohtavuus, mutta joka on kallista.

● Ei-johtava täyteaine: Täytetty hartsilla ja sitten pintapinnoitettu (VIPPO). Sen päätarkoitus on estää juotospastan hävikki etupuolen sirun asennuksen aikana, ja se parantaa myös jonkin verran lämmönjohtavuutta (parempi kuin ilmassa).

● Lämpöä johtava epoksihartsitäyte: Täytetty erityisellä lämmönjohtavuudella varustetulla eristemateriaalilla, joka parantaa lämmönjohtavuutta ja varmistaa samalla sähköisen eristyksen.

2. Sovelletaan suuritehoisiin laitteisiin: 

Lämpöläpiviennit ovat välttämättömiä MOSFETeille, suurvirtaisille DC-DC-muuntimille jne. Ne sijoitetaan tyypillisesti laitteen alle suurelle alueelle.

3. Varotoimet:

● Signaalin eheys: Tiheä läpivientireikien joukko voi häiritä referenssitasoa nopeiden signaalilinjojen (erityisesti mikroaalto- ja radiotaajuuslinjojen) alla ja aiheuttaa epäjatkuvuuksia. Diskreetti arviointi on tarpeen.

● Juotosongelmat: Jos läpiviennit ovat suoraan pintaliitosalustoilla (erityisesti pienten sirujen alustoilla), asianmukainen juotosmaskin tulppaus on välttämätöntä juotospastan häviämisen estämiseksi reflow-juottamisen aikana, mikä johtaa kylmiin juotoksiin.

VI. Suunnittelun yhteenveto

1. Tunnista lämmönlähteet: Paikanna piirilevyn tärkeimmät lämpöä tuottavat komponentit.

2. Suunnittele lämmönpoistoreitit: Määritä mikä kerros (yleensä takaosa) johtaa lämpöä.

3. Läpivientimatriisin sijoittaminen: Aseta tiheät, pienen halkaisijan omaavat läpiviennit laitteen lämpötyynyjen alle.

4. Aseta läpivientiominaisuudet: Määritä paksunnetun läpivientiseinän kupari, joka yhdistyy kaikkiin asiaankuuluviin kuparikerroksiin.

5. Juotosmaski: Varmista, että juotosmaskin aukot ovat takana olevissa lämmönpoistokohdissa.

6. DFM-tarkastus: Ota yhteyttä piirilevyvalmistajaan varmistaaksesi prosessien, kuten reiän halkaisijan, kuparin paksuuden ja läpivientien täytön, toteutettavuuden ja kustannukset.

7. Suorita lämpösimulointi: Varmista suunnittelun tehokkuus.

Yhteenvetona voidaan todeta, että piirilevyjen lämpöläpiviennit ovat edullinen ja tehokas menetelmä sisäänrakennettuun lämmönpoistoon. Ydintarkoituksena on "hyödyntää piirilevyn koko kuparikerrosta jäähdytyselementtinä". Läpivientien suunnittelu on avainasemassa onnistuneessa lämmönhallinnassa, erityisesti tehoelektroniikassa ja kompakteissa laitteissa.

Benlida on valmistanut piirilevyjä ja piirilevyasemia 14 vuoden ajan ja sillä on laaja tuotantojärjestelmä: edistyneistä laitteista suunnittelutiimiin, prosessinohjauksesta vahvaan toimitusketjuun. Meillä on erittäin kehittyneet valmistusprosessit piirilevyjen lämpöläpivienneille. Jos tarvitset räätälöityjä piirilevyjä, ota yhteyttä Benlidaan!