1. ขยายพื้นที่ทองแดง & เททองแดงในพื้นที่ขนาดใหญ่
หลักการสำคัญ: ทองแดงมีค่าการนำความร้อนประมาณ 401 W/(m·K) ซึ่งสูงกว่าซับสเตรต FR-4 หลายพันเท่า (~0.3 W/(m·K)) การขยายพื้นที่ฟอยล์ทองแดงรอบๆ ส่วนประกอบที่สร้างความร้อนจะสร้างหน้าตัดที่ใหญ่ขึ้นเพื่อการกระจายความร้อน และลดความต้านทานความร้อนจากจุดต่อไปยังสิ่งแวดล้อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ประเด็นสำคัญทางวิศวกรรม:
หมุดกำลังและกราวด์ของ IC ที่ใช้ความร้อนมากจะต้องเชื่อมต่อโดยตรงกับระนาบทองแดงขนาดใหญ่ หลีกเลี่ยงร่องรอยแคบที่จำกัดการไหลของความร้อน
เททองแดงลงบนทั้งชั้นบนและชั้นล่าง และเชื่อมต่อพวกมันด้วยความร้อนผ่านจุดผ่านเพื่อให้ได้ความหนาทองแดงที่เท่ากันเป็นสองเท่า
การเททองแดงที่มากขึ้นไม่ได้ให้ประโยชน์ตามสัดส่วนเสมอไป อัตราขยายความร้อนลดลงเกิน 3-5 เท่าของขนาดชิป ปรับสมดุลประสิทธิภาพการระบายความร้อนกับ EMI และความสมบูรณ์ของสัญญาณ
สำหรับอุปกรณ์ BGA / QFN ที่มีแผ่นระบายความร้อนด้านล่าง ให้รักษาทองแดงอย่างต่อเนื่องโดยไม่มีการแบ่งส่วนใต้ชิปโดยตรง
2. อาร์เรย์ Vias ความร้อน
หลักการสำคัญ: เมื่อแผ่นระบายความร้อนของส่วนประกอบอยู่ที่ชั้นบนสุดในขณะที่การกระจายความร้อนหลักเกิดขึ้นที่ชั้นล่างหรือชั้นใน ความต้านทานความร้อนในแนวตั้งจะถูกครอบงำโดยอิเล็กทริก FR-4 จุดผ่านความร้อนสร้างช่องทองแดงทั่วชั้น PCB ถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วจากแผ่นด้านบนไปยังทองแดงหรือแผงระบายความร้อนชั้นล่าง สิ่งเหล่านี้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการลดความต้านทานความร้อนในแนวดิ่ง
ประเด็นสำคัญทางวิศวกรรม:
ปริมาณมีความสำคัญมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางทางเดียว จุดแวะเล็กๆ หลายจุดมีประสิทธิภาพดีกว่าจุดแวะขนาดใหญ่จุดเดียว การใช้งานทั่วไป: จุดผ่านเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3-0.5 มม. จัดเรียงเป็นอาร์เรย์โดยมีระยะห่าง 1.0-1.5 มม. ใต้แผ่นระบายความร้อน
ป้องกันการบัดกรี: การลงจุดโดยตรงบนแผ่นอิเล็กโทรดอาจดึงลวดบัดกรีออกไป สำหรับการผลิตจำนวนมาก ให้ใช้ VIPPO (Via‑in‑Pad Plated‑Over) พร้อมด้วยการเติมและการปิดฝาด้วยทองแดง
จับคู่ Vias ความร้อนกับกราวด์ชั้นในทึบหรือระนาบกำลังเพื่อสร้างโครงสร้างการกระจายความร้อน 3 มิติที่รวม Via และ Plane
สำหรับอุปกรณ์ที่มีการใช้พลังงานสูงกว่า 5 W ให้ใช้จุดผ่านความร้อนอย่างน้อย 9 จุด และตรวจสอบผลลัพธ์ผ่านการจำลองความร้อน
3. แผ่นความร้อนและแผ่นสัมผัส (EPAD)
หลักการสำคัญ: แพ็คเกจต่างๆ เช่น QFN, DFN และ SOIC‑EP มีแผ่นแม่พิมพ์โลหะแบบเปลือยที่ด้านล่างซึ่งเชื่อมติดกับแม่พิมพ์ชิปโดยตรง แผ่นทองแดงที่เข้ากันซึ่งออกแบบบน PCB ช่วยให้ความร้อนระบายออกจากด้านหลังของชิป แทนที่จะผ่านเฉพาะส่วนประกอบเท่านั้น
ประเด็นสำคัญทางวิศวกรรม:
ขนาด PCB EPAD ต้องเป็นไปตามคำแนะนำในเอกสารข้อมูล ซึ่งโดยปกติจะใหญ่กว่าเล็กน้อย (ระยะขอบ 0.1-0.25 มม. ในแต่ละด้าน) กว่าแผ่นสัมผัสบรรจุภัณฑ์
กำหนดเส้นทาง EPAD ไปยังระนาบทองแดงขนาดใหญ่ด้านล่างหรือชั้นในผ่านการระบายความร้อนผ่านอาร์เรย์ ทองแดงชั้นบนสุดเพียงอย่างเดียวให้ความสามารถในการระบายความร้อนที่จำกัด
ออกแบบสเตนซิลที่มีช่องเปิดเล็กๆ หลายช่อง (แทนที่จะเป็นช่องทึบขนาดใหญ่ช่องเดียว) บน EPAD เพื่อควบคุมปริมาณการบัดกรีและป้องกันไม่ให้ส่วนประกอบลอยหรือเชื่อม
EPAD ที่ได้รับการติดตั้งอย่างดีสามารถต้านทานความร้อนได้ต่ำถึง 1-2 องศา /W ซึ่งให้ประสิทธิภาพด้านต้นทุนสูงสำหรับการออกแบบระบายความร้อน
4. PCB แกนโลหะ (MCPCB / PCB ฐานอะลูมิเนียม)
หลักการสำคัญ: พื้นผิวมาตรฐาน FR-4 มีค่าการนำความร้อนต่ำ MCPCB ใช้อะลูมิเนียมหรือทองแดงเป็นแกนโดยมีชั้นไดอิเล็กตริกนำความร้อนบางๆ (50-100 μm) ค่าการนำความร้อนโดยรวมสูงถึง 1-8 W/(m·K) ซึ่งสูงกว่า FR-4 หลายเท่า การถ่ายเทความร้อนจากแผ่นส่วนประกอบผ่านชั้นอิเล็กทริกไปยังแกนโลหะจากนั้นจึงส่งไปยังกล่องหุ้ม
ประเด็นสำคัญทางวิศวกรรม:
การใช้งานทั่วไป: ไฟ LED กำลังสูง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ โมดูลพลังงาน การควบคุมอุณหภูมิหัวต่อ LED อาศัย PCB ฐานอะลูมิเนียมเป็นอย่างมาก
ชั้นอิเล็กทริกเป็นคอขวดความร้อนหลัก จัดลำดับความสำคัญของการนำความร้อนไดอิเล็กตริกแทนที่จะเน้นเฉพาะวัสดุโลหะพื้นฐานในระหว่างการเลือกส่วนประกอบ
ราคาสูงกว่า FR-4 จำเป็นต้องมีการประมวลผลที่ซับซ้อนเนื่องจากแกนโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า MCPCB แบบหลายชั้นถือเป็นความท้าทายทางเทคนิค
ทางเลือก: เหรียญทองแดงบางส่วน / การฝังทองแดงที่ฝังอยู่ภายในบอร์ด FR-4 เพื่อต้นทุนที่สมดุลและประสิทธิภาพการระบายความร้อน
5. แผ่นระบายความร้อนภายนอกและวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM)
หลักการสำคัญ: เมื่อการกระจายความร้อนจากภายใน PCB ถึงขีดจำกัด จะต้องดำเนินการความร้อนไปยังแผงระบายความร้อนภายนอกที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ส่วนประกอบที่สร้างความร้อนหรือทองแดง PCB ด้านหลังสัมผัสกับแผ่นระบายความร้อนผ่าน TIM ซึ่งเติมเต็มช่องว่างระดับจุลภาคและแทนที่อากาศ (การนำความร้อนของอากาศ ~0.026 W/(m·K) ซึ่งเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี)
| พิมพ์ | การนำความร้อน | ความหนา | สถานการณ์การใช้งาน |
|---|---|---|---|
| จาระบีความร้อน | 2‑8 W/(m·K) | บางมาก (<0.1 mm) | IGBT, ซีพียู; การใช้งานที่ช่วยให้สามารถประกอบกลับคืนได้ด้วยแรงดันที่ควบคุม |
| แผ่นช่องว่างความร้อน | 1‑6 W/(m·K) | 0.5-5 มม | การชดเชยความแตกต่างของความสูง ฉนวนไฟฟ้า การดูดซับแรงกระแทก |
| กาวกันความร้อนสององค์ประกอบ | 1‑3 W/(m·K) | ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน | สถานการณ์ที่ต้องใช้ทั้งการสัมผัสความร้อนและการเชื่อมติดทางกล |
| วัสดุเปลี่ยนเฟส | 3‑6 W/(m·K) | 0.1-0.25 มม | ละลายภายใต้อุณหภูมิสูงเพื่ออุดช่องว่าง เชื่อถือได้ในระยะยาว |
6. การเพิ่มประสิทธิภาพเค้าโครงส่วนประกอบและการออกแบบท่ออากาศ
หลักการสำคัญ: ห้าวิธีก่อนหน้านี้เน้นที่การนำความร้อน ในที่สุดความร้อนจะต้องกระจายออกไปสู่สิ่งแวดล้อมผ่านการพาความร้อนและการแผ่รังสี การออกแบบเค้าโครงและการไหลเวียนของอากาศที่เหมาะสมสามารถลดความต้านทานความร้อนของระบบได้อย่างมากโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่าย BOM เพิ่มเติม
สรุป: การคิดอย่างเป็นระบบเพื่อการออกแบบระบายความร้อน
การออกแบบการระบายความร้อนของ PCB ไม่ใช่แค่การซ้อนเทคนิคแต่ละอย่างเข้าด้วยกัน แต่เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างเป็นระบบทั่วทั้งสายโซ่ต้านทานความร้อนทั้งหมด:
ทางแยกชิป → แพ็คเกจ → แผ่นบัดกรี → ทองแดง PCB → Vias / แกนโลหะ → ชุดระบายความร้อน → สภาพแวดล้อมโดยรอบ
ความต้านทานความร้อนของแต่ละส่วนต้องมีการประเมินเชิงปริมาณ ขั้นตอนการทำงานที่แนะนำ:
ประมาณการการใช้พลังงานและอุณหภูมิจุดรวมสูงสุดที่อนุญาตสำหรับอุปกรณ์สร้างความร้อนแต่ละตัว
คำนวณความต้านทานความร้อนรวมที่อนุญาต: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max
จัดสรรงบประมาณการต้านทานความร้อนสำหรับบรรจุภัณฑ์ PCB และตัวระบายความร้อน และระบุปัญหาคอขวด
รวมวิธีการดังกล่าวข้างต้น EPAD บวกจุดระบายความร้อนและทองแดงชั้นล่างขนาดใหญ่ให้ประสิทธิภาพพื้นฐานที่คุ้มค่าที่สุด เพิ่มแผงระบายความร้อนหรือแผงแกนโลหะสำหรับสถานการณ์ที่มีกำลังไฟสูง
ตรวจสอบโดยการจำลองความร้อน (FloTHERM, ANSYS Icepak ฯลฯ) และปรับเทียบด้วยการวัดด้วยภาพความร้อนอินฟราเรด
