Hoe en waarom thermische via's nodig zijn in PCB-ontwerp
Thermische via's vormen een essentieel onderdeel van veel printplaatontwerpen, met name in ontwerpen met elektrische componenten die warmte moeten afvoeren om betrouwbaar en efficiënt te functioneren. Om aan de normen te voldoen, zijn thermische via's van cruciaal belang bij het ontwerpen van vermogenselektronica, LED's of zelfs kleine, krachtige systemen.
Alles over thermische via's in PCB-ontwerp: doel, typen en voordelen (complete gids met gedetailleerde technische informatie voor ontwerpers, ingenieurs en hobbyisten). In dit artikel bespreken we wat thermische via's zijn, hoe ze werken, welke ontwerpoverwegingen er zijn, de verschillende typen en de voordelen van het implementeren van thermische via's in PCB-layouts.
Wat zijn thermische via's?
Thermische via's zijn kleine, parasitaire geleidende tunnels die door het verticale vlak van een printplaat lopen om warmte van de ene kant van de printplaat naar de andere te leiden. Deze kanalen (via een regulier gas- of vloeistofproces) dienen om de warmte te absorberen die wordt geproduceerd door krachtige componenten zoals IC's, MOSFET's en LED's door middel van thermisch gekoppelde lagen.
Door warmtegeleidende bruggen tussen de lagen te vormen, voeren thermische via's – die doorgaans gevuld en/of bekleed zijn met koper – warmte veel effectiever af dan het omringende PCB-substraatmateriaal (zoals FR4) ooit zou kunnen.
Thermische via's — Waarom zijn ze nodig?
Een goede warmteafvoer is essentieel, omdat componenten warm worden en als ze te lang te heet blijven, kunnen ze defect raken. Onjuist beheer van de thermische omgeving kan leiden tot systeemstoringen, een lagere efficiëntie en permanente schade aan gevoelige componenten. Overdimensionering van deze strategieën (lees: eenvoudige ontwerpen met koelribben en thermische pads) biedt geen bescherming aan de printplaat bij zware belasting, en dat is waar het idee van thermische via's om de hoek komt kijken.
Algemene toepassingen
Thermische toepassingen: Het elimineren van hotspots. Thermische via's worden vaak gebruikt in industrieën waar thermische prestaties belangrijk zijn:
LED-dimfunctie: Voor een gelijkmatige lichtverdeling en om de door temperatuurstijging veroorzaakte degradatie van LED's te verminderen.
Minimaal transmissieverlies: Het energieomzettingsproces kent inherente verliezen, maar hoogfrequente circuits en apparaten, zoals eindversterkers en spanningsregelaars, produceren veel warmte. Dit vereist zorgvuldig thermisch beheer om oververhitting te voorkomen en de efficiëntie te behouden.
Elektronische componenten in de automobielindustrie: PCB's in de automobielindustrie worden gebruikt in een zeer veeleisende omgeving, waardoor warmteafvoer een van de belangrijkste aandachtspunten is.
Microapparaat: De trend naar miniaturisatie vereist compacte printplaten met thermische via's voor warmteafvoer.
Hoe werken thermische via's?
Om te begrijpen hoe thermische via's werken, is het essentieel om te weten hoe warmteoverdracht plaatsvindt op een printplaat:
Warmteontwikkeling van componenten: Krachtige componenten genereren warmte tijdens normaal gebruik.
Warmteoverdracht naar koperlagen – De gegenereerde warmte verplaatst zich van de heatpads of warmtegeleidende kanalen op de printplaat naar het koper.
Verticale warmteafvoer: Thermische via's kunnen warmte verticaal over een printplaat afvoeren naar een koelplaat, aardingsvlak of thermisch geleidende laag.
Koper heeft een hoge thermische geleidbaarheid (400 W/m·K), waardoor een effectieve warmteoverdracht tussen de PCB-lagen mogelijk is, terwijl FR4-substraten (0,3 W/m·K) slechte warmtegeleiders zijn.
Ontwerpoverwegingen voor thermische via's
De thermische prestaties van printplaten met via's kunnen variëren afhankelijk van een aantal parameters. Er zijn een paar belangrijke zaken om in gedachten te houden bij het ontwerpen:
Via plaatsing
Thermische via's direct onder warmtegenererende componenten. Zie het gedeelte over fijne via's hieronder: hoewel deze klein kunnen zijn voor montage met hoge dichtheid en kleine pitch, moet de plaatsing nog steeds correct zijn!
Via grootte
De diameter van een thermische via is dus van belang:
Een grotere dwarsdoorsnede betekent een betere warmteoverdracht door grote via's.
Thermische via's hebben normaal gesproken een diameter van 0,2 mm tot 0,5 mm, maar bij toepassingen met hoog vermogen kunnen grotere diameters nodig zijn.
Aantal via's
Hoe hoger de via's, hoe beter het thermisch gedrag. Het aantal via's hangt af van de benodigde warmteafvoer en de vermogensdichtheid van de printplaat.
Koperbeplating
Warmteafvoer door koperbeplating++—via verbeterde warmteoverdracht van de randlagen. De meesten van ons kunnen prima uit de voeten met standaardbeplating, maar het toevoegen van een dikkere koperen plaat zal de warmteafvoer nog verder verbeteren.
Gevulde versus open via's
Thermische via's kunnen worden gevuld of open gelaten:
Gevulde via's: Hoewel ze goed kunnen zijn voor de warmteafvoer via de printplaat, kunnen ze ook worden gevuld met geleidende (zoals koperpasta) of niet-geleidende (zoals epoxy of soldeer) materialen om te voorkomen dat de pasta volledig in de via vloeit nadat deze op de printplaat is aangebracht.
Open via's: geen warmteoverdracht aan de binnenkant, maar wel enige warmteoverdracht. Ze zijn eenvoudiger en goedkoper te produceren.
Thermische via-arrays
Door gebruik te maken van een array wordt de warmte over een groter oppervlak verspreid, wat niet mogelijk is met afzonderlijke via's of kleine via's die leiden tot de vorming van hotspots in krachtige componenten. Het egaliseert temperatuurpieken en verbetert de warmteafvoer.
Laagverbinding
Doorgaans zijn thermische via's verbonden met interne aardingsvlakken of thermische vlakken. Door deze vlakken groter te maken (qua afmetingen) en ze te vervaardigen uit thermisch geleidend materiaal, wordt de warmte beter over de printplaat afgevoerd.
Soorten thermische via's
Blinde via's: Dit zijn verbindingen die een buitenste laag verbinden met een of meerdere binnenste lagen, maar niet door de hele printplaat heen lopen. Ze worden veel gebruikt in meerlaagse printplaten waar de beschikbare ruimte beperkt is.
Verzonken via's: De verzonken via's bevinden zich volledig in de printplaat en zijn niet zichtbaar vanaf de buitenste lagen. Ze worden meestal gebruikt wanneer warmte tussen interne processen moet worden afgevoerd.
Doorvoergaten of koperen via's: Deze zijn door alle lagen van de printplaat geboord en worden gebruikt voor thermisch beheer, omdat ze de beste warmteafvoer bieden.
Hoe worden thermische via's in een ontwerp gemaakt?
Hier is een handleiding voor thermische via's in PCB-ontwerp:
Lokaliseer de warmtebron: Welke apparaten kunnen warm worden, zoals spanningsregelaars of LED's?
Materiaalkeuze: Gebruik indien mogelijk een PCB-substraat met een hoge thermische geleidbaarheid, bijvoorbeeld printplaten met een metalen kern (MCPCB's), of verhoog het kopergehalte in de lagen.
Laten we het hebben over thermische via's: Plaatsing: U dient thermische via's direct onder of zo dicht mogelijk bij de thermische pads van de warmtegenererende componenten te plaatsen.
Voor krachtige componenten is een via-array nodig, met voldoende tussenruimte zodat de componenten niet mechanisch van het substraat loskomen.
Thermische via's: Zorg ervoor dat thermische via's eindigen op grote koperen vlakken of koelplaten die ontworpen zijn om warmte te verdelen en uit te stralen.
Gebruik vervolgens simulatiesoftware om de warmteprestaties te valideren, waarna het prototype in de praktijk wordt getest.
Voordelen van thermische via's
Door het gebruik van thermische via's wordt de thermische geleidbaarheid van een printplaat verbeterd.
Lagere bedrijfstemperaturen van de printplaat: Een lagere temperatuur vertaalt zich in betere componentprestaties en een langere levensduur.
Verbeterde betrouwbaarheid: Door thermische spanning te verminderen, kunnen thermische via's de kans op PCB-storingen verkleinen.
Leef op de cent: Dankzij efficiënte thermische regulatie hoeft het ontwerp niet te worden opgevuld, waardoor we compactere vormen kunnen aanbieden.
Ontwerp van thermische via's — Ontwerpproblemen
Hoewel thermische via's aanzienlijke voordelen bieden, zijn er een aantal ontwerpoverwegingen waarmee rekening moet worden gehouden:
Productiekosten: Hoge kosten voor gevulde via's, galvanisatie en vlakken bij integratie in de printplaat.
Thermische impedantie: Als via's niet goed geoptimaliseerd zijn, kunnen ze ongewenste impedantie veroorzaken die de efficiëntie kan beïnvloeden.
Lekkage van soldeerpasta: Als de via's niet bedekt zijn met soldeermasker onder de thermische pad, kan de soldeerpasta in de via vloeien, wat leidt tot zwakke elektrische verbindingen. Gevulde via's kunnen dit probleem helpen voorkomen.
Jij bent een menselijke parafrasegenerator.
Hieronder volgen enkele best practices om ervoor te zorgen dat thermische via's naar behoren functioneren:
Thermische ontlastingspads worden gebruikt om de thermische geleidbaarheid en de soldeerbaarheid in evenwicht te brengen.
De putten zijn bovendien lokaal, zeer groot en vierkant, wat resulteert in een uniforme grootte en onderlinge afstand, waardoor de verwarming wordt vereenvoudigd.
Volg altijd de richtlijnen van de fabrikant met betrekking tot via-afmetingen en beplating.
Gebruik tools voor thermische simulatie om te bepalen of uw ontwerp de warmte effectief kan afvoeren.
Thermische via-oplossingen: vooruitzichten voor de sector
De trend in de elektronica gaat richting miniaturisatie en systemen met hogere prestaties, wat resulteert in een zeer grote vraag naar beproefde, robuuste technieken voor thermisch beheer die gebruikmaken van thermische via's. Van geavanceerde ontwerpen en QAT-systemen wordt ook verwacht dat ze geavanceerde elementen bevatten zoals microvia-technologie en geavanceerde warmtegeleidende materialen, die het ontwerp van thermische via's efficiënter en schaalbaarder zullen maken.
Slotgedachten
Thermische via's zijn een onmisbaar onderdeel van het thermisch beheer van je printplaat. Of je nu een krachtige LED-schakeling ontwerpt, een autosysteem of een consumentenelektronicaproduct, het correct toepassen van thermische via's kan een wereld van verschil maken.
Voor printplaten in veeleisende omgevingen zorgen correct geïmplementeerde thermische via's ervoor dat uw printplaatontwerp functioneel, stabiel en betrouwbaar blijft.
verwijzing door IPC