Come e perché sono necessari i fori termici nella progettazione di PCB
I via termici sono parte integrante di molti progetti di circuiti stampati (PCB), soprattutto in quelli con componenti elettrici che devono dissipare il calore per funzionare in modo affidabile ed efficiente. Affinché i via termici siano conformi agli standard, è fondamentale che siano rilevanti nei casi in cui si progettano componenti elettronici di potenza, LED o persino piccoli sistemi ad alte prestazioni.
Scopri tutto sui fori di via termici nella progettazione di PCB: scopo, tipi, vantaggi (guida completa con informazioni tecniche dettagliate per progettisti, ingegneri e hobbisti) In questo articolo parleremo di cosa sono i fori di via termici, come funzionano i fori di via termici, quali sono le considerazioni di progettazione per i fori di via termici, i loro tipi e i vantaggi dell'implementazione dei fori di via termici nel layout di PCB.
Cosa sono i canali termici?
I via termici sono piccoli tunnel conduttivi parassiti che attraversano il piano verticale di un PCB per dirigere il calore da un lato all'altro della scheda. Questi percorsi (attraverso un normale processo a gas o liquido) servono ad assorbire il calore prodotto da dispositivi ad alta potenza come circuiti integrati, MOSFET e LED accoppiando termicamente gli strati.
Formando ponti di connettivi termici tra gli strati, i via termici (in genere riempiti e/o placcati in rame) dissipano il calore in modo molto più efficace di quanto il materiale del substrato del PCB circostante (come FR4) potrebbe mai sperare di fare.
Fori termici: perché sono necessari?
È necessaria una dissipazione adeguata, poiché i componenti si surriscaldano e, se si surriscaldano troppo a lungo, si guastano. Una gestione impropria dell'ambiente termico può far scattare i sistemi, ridurne l'efficienza e danneggiare permanentemente i componenti sensibili. L'eccessiva ingegnerizzazione di queste strategie (ovvero: progetti di base che aggiungono dissipatori di calore e pad termici) non salverà il PCB durante carichi pesanti, ed è qui che entra in gioco l'idea dei via termici.
Applicazioni comuni
Agenti di applicazioni termicheEliminazione dei punti caldiI fori termici sono spesso utilizzati nei settori in cui si verificano prestazioni termiche:
LED-Dim: per uniformare la luce e ridurre il degrado dei LED causato dall'aumento della temperatura.
Perdita di trasmissione minima: il processo di conversione dell'energia presenta perdite intrinseche, ma i circuiti e i dispositivi ad alta frequenza, come gli amplificatori di potenza e i regolatori di tensione, producono molto calore, il che richiede un'attenta gestione termica per evitare il surriscaldamento e mantenere l'efficienza.
Dispositivi elettronici nel settore automobilistico: i PCB per autoveicoli vengono utilizzati in ambienti molto difficili, pertanto la dissipazione del calore è uno degli aspetti principali.
Microdispositivo: la tendenza alla miniaturizzazione impone l'uso di PCB densi dotati di vie termiche per gestire la dissipazione del calore.
Come funzionano i fori termici?
Per comprendere il funzionamento dei fori termici è fondamentale sapere come viene trasferito il calore in un PCB:
Generazione di calore dei componenti: i componenti ad alta potenza generano calore durante il normale funzionamento.
Trasferimento di calore agli strati di rame: il calore generato si sposta dai cuscinetti riscaldanti o dai canali conduttori di calore sul PCB al rame.
Dissipazione verticale: i fori termici possono trasferire il calore verticalmente lungo un PCB e in un dissipatore di calore, un piano di massa o uno strato termicamente conduttivo.
Il rame ha un'elevata conduttività termica (400 W/m·K), che consente un efficace trasferimento termico tra gli strati del PCB, mentre i substrati FR4 (0,3 W/m·K) sono cattivi conduttori termici.
Considerazioni di progettazione per la via termica
Le prestazioni termiche dei circuiti stampati possono variare in base ad alcuni parametri. Ci sono alcuni aspetti chiave da tenere a mente durante la progettazione:
Tramite posizionamento
Fori di via termici direttamente sotto i componenti che generano calore. Consultare la sezione sui fori di via sottili qui sotto: anche se possono essere piccoli per un montaggio ad alta densità e a passo stretto, il posizionamento deve comunque essere corretto!
Via Dimensione
Quindi il diametro di una via termica è importante:
Una maggiore area della sezione trasversale significa un migliore trasferimento di calore attraverso fori passanti di grandi dimensioni.
I fori termici hanno normalmente un diametro compreso tra 0,2 mm e 0,5 mm, ma nelle applicazioni ad alta potenza potrebbero essere necessari diametri maggiori.
Numero di vie
Più sono alti i fori di via, migliore è il comportamento termico. Il numero dipenderà dalla dissipazione del calore necessaria e dalla densità di potenza della scheda.
placcatura in rame
Dissipazione del calore Placcatura in rame++—tramite il miglioramento del trasferimento di calore degli strati di confine La maggior parte di noi si accontenta della placcatura standard, ma l'aggiunta di una piastra di rame più spessa aiuterà a dissipare ulteriormente il calore.
Fori di via riempiti vs. aperti
I fori termici possono essere riempiti o lasciati aperti:
Fori di via riempiti: sebbene possano essere utili per dissipare il calore attraverso il PCB, possono anche essere riempiti con materiale conduttivo (come pasta di rame) o non conduttivo (come resina epossidica o saldatura) per garantire che la pasta non scorra completamente nel foro di via dopo essere stata posizionata sulla scheda.
Fori di via aperti: zero all'interno con un certo trasferimento di calore. Sono più semplici ed economici da produrre.
Array di via termica
Il calore viene distribuito su un'area più ampia utilizzando una matrice, cosa che non è possibile con vie discrete o piccole vie, il che porta alla formazione di punti caldi sui dispositivi ad alta potenza. In questo modo si attenuano i picchi di temperatura e si aumenta la dissipazione del calore.
Connessione a strati
In genere, i fori di via termici sono collegati a piani di massa interni o piani termici. Rendere questi piani più grandi (in termini di dimensioni) e realizzati con materiale termoconduttivo aiuterà a canalizzare il calore lungo il PCB.
Tipi di vie termiche
Blind Vias: sono connessioni che collegano uno strato esterno a uno o più strati interni, ma non attraversano l'intera scheda. Sono ampiamente utilizzate nei PCB multistrato, dove lo spazio disponibile è limitato.
Fori di via interrati: i fori di via interrati sono completamente interni al PCB e non visibili da nessuno strato esterno; vengono solitamente utilizzati ogni volta che è necessario propagare il calore tra processi interni.
Fori passanti o fori in rame: forati attraverso tutti gli strati del PCB, utilizzati per applicazioni di gestione termica, in quanto garantiscono la migliore dissipazione del calore.
Come vengono realizzati i fori di via termici in un progetto?
Ecco un guida ai fori termici nella progettazione di PCB:
Individuare dove si trova il punto caldo: quali dispositivi possono riscaldarsi, ad esempio i regolatori di potenza o i LED?
Scelta del materiale: se possibile, utilizzare un substrato PCB ad alta conduttività termica, ad esempio PCB con nucleo metallico (MCPCB) oppure aumentare il peso del rame sugli strati.
Parliamo dei fori di via termici: Posizionamento: dovresti posizionare i fori di via termici direttamente sotto o il più vicino possibile ai pad termici dei componenti che generano calore.
Dispositivi ad alta potenza: procuratevi un array di vie e distanziateli a sufficienza per evitare che si stacchino meccanicamente dal substrato.
Fori di passaggio termici: assicurarsi che i fori di passaggio termici terminino su grandi piani in rame o dissipatori di calore progettati per distribuire e irradiare il calore.
Quindi, utilizzare un software di simulazione per convalidare le prestazioni termiche, per poi testare il prototipo nel mondo reale.
Vantaggi dei Thermal Vias
Pertanto, la conduttività termica di un PCB viene migliorata mediante l'uso di vie termiche.
Temperature di esercizio PCB inferiori: temperature più basse si traducono in migliori prestazioni dei componenti e maggiore longevità operativa.
Maggiore affidabilità: riducendo lo stress termico, i via termici possono diminuire la probabilità di guasti al PCB.
Vivere al centesimo: grazie all'efficiente regolazione termica, il design non ha bisogno di essere imbottito, il che significa che possiamo offrire forme più compatte.
Progettazione di vie termiche — Sfide di progettazione
Sebbene i fori di via termici offrano notevoli vantaggi, ci sono alcune considerazioni progettuali da tenere in considerazione:
Costi di produzione: costi elevati per i fori riempiti, la placcatura e i piani quando integrati nel PCB.
Impedenza termica: se i via non sono ottimizzati correttamente, possono produrre un'impedenza indesiderata che può influire sull'efficienza.
Perdita di pasta saldante: se i fori di via non sono coperti con la maschera di saldatura sotto il pad termico, la pasta saldante può fuoriuscire all'interno del foro, causando connessioni elettriche deboli. I fori di via riempiti possono aiutare a evitare questo problema.
Sei un generatore umano di parafrasi.
Di seguito sono riportate alcune buone pratiche per garantire che i fori di via termici funzionino come previsto:
I cuscinetti di sollievo termico vengono utilizzati per bilanciare la conduttività termica e la saldabilità.
I pozzi sono inoltre locali, molto grandi e quadrati, il che conferisce uniformità di dimensioni e separazione, semplificando il riscaldamento.
Si prega di seguire sempre le linee guida del produttore in merito alle dimensioni dei fori e alla placcatura.
Utilizza strumenti di simulazione termica per determinare se il tuo progetto dissiperà efficacemente il calore.
Soluzioni Thermal Via: prospettive del settore
La tendenza dell'elettronica è verso la miniaturizzazione e sistemi ad alte prestazioni, il che si traduce in una domanda molto elevata di tecniche di gestione termica collaudate e robuste che utilizzino vie termiche. Si prevede inoltre che progetti e QAT avanzati integrino elementi all'avanguardia come la tecnologia delle microvie e materiali avanzati per la conduttività termica, che miglioreranno l'efficienza e la scalabilità della progettazione delle vie termiche.
Considerazioni finali
I via termici sono uno strumento indispensabile per la gestione termica dei PCB. Che si tratti di progettare un circuito LED ad alta potenza, un sistema automobilistico o un dispositivo di elettronica di consumo, capire come utilizzare i via termici e come farlo correttamente può fare la differenza.
Per i PCB in ambienti difficili, i via termici correttamente implementati ti aiuteranno a mantenere il tuo progetto PCB funzionale, stabile e affidabile.
riferimento di IPC