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In Progettazione di PCB, una gestione termica efficace è essenziale per ottenere prestazioni affidabili. I rilievi termici sono strutture specializzate utilizzate nella progettazione dei PCB per risolvere dissipazione del calore problemi quando i conduttori dei componenti si collegano a grandi aree di rame, tipicamente piani di massa o di alimentazione.
Questa guida fornisce una spiegazione dettagliata della funzione e delle tecniche di progettazione dei rilievi termici per aiutarti a migliorare ulteriormente le tue competenze nella dissipazione del calore dei PCB. PCB ELE offre anche progettazione di PCB ad alte prestazioni, produzione e servizi di assemblaggio. Quindi, se avete domande, non esitate a contattarci!
Che cos'è il raffreddamento termico dei PCB?
Il rilievo termico si riferisce a una serie di connessioni in rame che collegano un pad PCB al resto del piano in rame/colata di rame. Invece di un pad esposto saldato su un pad collegato a un'ampia area in rame, le loro tracce sottili (tipicamente a forma di croce o stella, come mostrato) consentono un trasferimento di calore controllato su un'area più piccola.
Perché il sollievo termico è importante
Essenzialmente, il rilievo termico regola la dissipazione del calore. Se si collegasse il pad direttamente a un piano di rame, il calore si diffonderebbe troppo rapidamente su tutto il piano. Ciò causerebbe una rapida dissipazione del calore, impedendo alla saldatura di raggiungere la temperatura di fusione richiesta. Tuttavia, con il rilievo termico, la generazione di calore è sufficiente e localizzata sul pad, creando connessioni di saldatura uniformi e affidabili.
Inoltre, previene anche gli errori di produzione esponendo i pad dei PCB alla giusta temperatura nel tempo o evitando che parti diverse della scheda raggiungano temperature troppo diverse (giunti freddi, delaminazione).
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Controllo del calore: Il sollievo termico aggiunge un livello di resistenza che controlla la velocità di propagazione e consente di ottenere cuscinetti sufficientemente caldi e persino saldature.
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Risparmia tempo nella produzione di massa: Maggiore è l'uniformità del comportamento di saldatura tra i pad, maggiore sarà la ripetibilità del processo, consentendo una riduzione dei difetti e dei tempi e una profilatura stabile e continua della macchina per la saldatura ad onda o riflusso sistemi.
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Affidabilità dei giunti saldati: L'affaticamento da cicli termici diminuisce con una distribuzione uniforme della saldatura, il che significa che la resistenza meccanica della saldatura viene integrata nel tempo, rendendo questa soluzione affidabile per ambienti costantemente difficili.
Cuscinetti termici di scarico vs cuscinetti di connessione solidi
Cuscinetti termici di scarico si riferisce a un collegamento in cui il pad è collegato al rame versato attraverso stretti canali di foglio di rame in quattro direzioni. Il riscaldamento uniforme durante la saldatura facilita la saldatura e lo smontaggio manuale. Ciò riduce lo stress e il rischio di distacco del pad.
Pads di connessione solidi si riferiscono a un collegamento in cui il pad è completamente ricoperto da una lamina di rame, formando un collegamento completo a 360°. La loro elevata capacità di trasporto di corrente li rende adatti per correnti elevate e ad alta potenza applicazioni.
| Scenario | Progetto consigliato | Motivo |
| Saldatura manuale | Sollievo termico | Riduce la dissipazione di calore, consentendo al giunto saldato di raggiungere più rapidamente la temperatura di fusione. |
| Applicazioni ad alta corrente o elevata dissipazione termica | Connessione solida | Aumenta la capacità di trasporto di corrente, ma occorre tenere conto della difficoltà di saldatura e del rischio di giunti freddi. |
| Circuiti per segnali ad alta frequenza | Preferisci il sollievo termico | Riduce l'impatto della capacità parassita sull'integrità del segnale. |
| Saldatura a onda | Consiglio vivamente il sollievo termico | Previene la deformazione del substrato PCB causata da temperature elevate localizzate. |
Quando utilizzare i rilievi termici
I rilievi termici vengono utilizzati nei casi in cui le interconnessioni in rame possono causare un'eccessiva dissipazione termica durante la saldatura. Come accennato in precedenza, ciò può garantire una rifusione uniforme, un riempimento costante della saldatura e mantenere la stabilità durante tutto il processo. Tuttavia, non vengono sempre utilizzati in modo esclusivo e dipendono dalle esigenze elettriche e termiche.
Componenti a foro passante
Foro passante I pad che si collegano alla massa o ai piani di alimentazione necessitano di un sistema di raffreddamento termico per evitare il surriscaldamento durante la saldatura a onda o manuale. I collegamenti a raggiera consentono un riempimento uniforme della saldatura e garantiscono connessioni intermetalliche.
Aree e piani di rame di grandi dimensioni
I versamenti e i piani di rame richiedono un raffreddamento termico poiché riducono al minimo la massa di rame che tenta di allontanare il calore dai successivi giunti di saldatura. Ciò garantirà che tali connessioni non diventino giunti di saldatura freddi dopo aver lavorato con una grande massa di rame.
Schede multistrato e HDI
Poiché l'aumento della massa termica rende più difficile la saldatura dei collegamenti dello strato esterno, queste schede trarranno sempre vantaggio dai rilievi termici. Utilizzando i rilievi termici, è possibile riscaldare efficacemente i vari strati di rame per garantire una fusione e una lavorabilità adeguate.
Percorsi ad alta corrente
Le tracce di alimentazione utilizzeranno vie di connessione solide sotto i componenti di grandi dimensioni che dissipano calore. Inoltre, le reti ad alta corrente favoriranno la connettività in rame solido, poiché queste connessioni dissipano calore e richiedono una forte conduttività.
Quando è inappropriato utilizzare i rilievi termici?
- Componenti ad alta potenza: I dispositivi che richiedono un'efficace dissipazione del calore, come i moduli di potenza e i MOSFET di potenza, spesso utilizzano connessioni complete per migliorare la conduttività termica. Nel diagramma sottostante, l'uso di rilievi termici ridurrebbe la capacità complessiva di trasporto della corrente.
- Segnale ad alta frequenza piano di massa: Alcuni circuiti RF richiedono una messa a terra a bassa impedenza, che necessita di connessioni dirette e complete con fogli di rame.
- Tamponi di prova/fori di montaggio: I fori di montaggio meccanici o i pad di prova sono solitamente completamente collegati per garantire la stabilità.
Considerazioni sulla progettazione del raffreddamento termico dei PCB
Quando si progettano i pad di dissipazione termica sui PCB, è necessario tenere conto dei seguenti punti:
Larghezza dei raggi e numero dei raggi
La forma, la larghezza e la quantità dei raggi influiscono sulla quantità di calore trasmessa durante la saldatura e sulla quantità di corrente che i raggi possono trasportare durante il funzionamento.
In generale, un pad è distanziato da 2 a 4 raggi dal pad al piano; per i pad di piccoli segnali si raccomandano raggi più piccoli (0,2-0,3 mm) per la dissociazione termica/elettrica, mentre per le reti di alimentazione con esigenze di flusso di corrente più elevate si raccomandano raggi più grandi (0,4-0,6 mm).
Autorizzazione al piano rame
Per evitare ponti di saldatura, è necessario lasciare uno spazio libero anche sopra il rame. Per i pannelli FR-4 tipici, lo spazio libero è di 0,25-0,4 mm per i pad, senza piani di rame che lo circonda, come previsto nei tipici pesi in rame. Questo numero può aumentare leggermente con pesi più elevati, poiché è necessario un maggiore spazio libero per controllare una resistenza al calore costante.
Superficie del pad e spessore del rame
Più spesso è il rame, più velocemente assorbe il calore. Nelle schede che utilizzano rame da 2 oz o più, i tipi con motivi dovrebbero avere rilievi più ampi o essere sostituiti con la stessa qualità di rilievo del rame più sottile. Questo vale anche per i pad più grandi, perché le masse più grandi non assorbono le temperature allo stesso modo.
Reti con corrente elevata
I collegamenti di alimentazione/terra che richiedono molta corrente necessitano di un dispositivo di raffreddamento termico; le giunture esposte funzionano meglio o quelle parzialmente riempite, quindi una saldabilità adeguata garantisce il corretto funzionamento dei componenti che trasportano corrente.
Verifica con DFM e simulazione
È sempre bene verificare con DFM spazi liberi e strumenti di simulazione termica in caso di dubbio. Questi aiutano a creare un percorso di saldatura facile dal pad per verificarne la probabilità di successo. Il successo dipende da come viene utilizzato il rame e da quanti pad sono presenti sulla scheda.
Confronto tra metodi di gestione termica
Per le diverse funzioni vengono utilizzati diversi metodi di gestione termica. Di seguito sono riportati i metodi più comunemente utilizzati per la gestione termica e quando utilizzarli.
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Metodo
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Scopo
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Quando utilizzare
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Sollievo termico
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Evita la conduzione di calore della saldatura tra il foro del pad e il piano di rame.
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Requisito per i pad di saldatura collegati a componenti che devono mantenere la temperatura ma necessitano di connessioni accettabili.
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Viali termici
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Dissipa il calore verticalmente attraverso il PCB strati.
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Dove si genera calore localizzato. Sotto interruttori di alimentazione, regolatori o sotto componenti BGA.
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Colate e livellamenti del rame
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Consente la dissipazione del calore da un punto della superficie del PCB.
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Dove l'alimentazione è distribuita o dove le aree ad alta corrente superano le tolleranze massime di aumento della temperatura delta.
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Dissipatori di calore
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Trasferisce il calore con un substrato in alluminio o rame per una migliore conduzione.
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Con circuiti integrati ad alta dissipazione di potenza, come regolatori lineari o dispositivi di commutazione.
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PCB con anima in metallo (MCPCB)
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La composizione del consiglio è cambiata da FR4 schede principali, il nucleo viene sostituito con alluminio o materiale conduttivo per dissipare il calore eccessivo tramite conduzione.
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Per LED illuminazione e applicazioni automobilistiche, che richiedono una buona diffusione termica.
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Conclusione
La funzione principale dei rilievi termici dei PCB è quella di garantire un equilibrio tra affidabilità di saldatura, resistenza meccanica e prestazioni elettriche. Grazie a modifiche mirate al design, come la modifica della larghezza e della quantità delle linee di connessione, questi pad per PCB sono in grado di soddisfare i requisiti di una vasta gamma di applicazioni, fungendo da strumento di ottimizzazione fondamentale per gli ingegneri PCB.
ELEPCB conosce la differenza tra rilievi termici buoni e cattivi e utilizza fattori DFM per garantire che anche gli stack-up o le percentuali di rame più complessi consentano alle schede di possedere la saldabilità e la stabilità adeguate.
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Domande frequenti
A1: No. Solo i pad collegati a grandi aree di rame, come i piani di massa/alimentazione, ne hanno bisogno. Esistono connessioni solide per i pad di segnale o i via ad alta corrente.
A2: Sono sufficienti da 2 a 4 raggi disposti simmetricamente per non modificare eccessivamente il percorso termico, garantendo comunque una stabilità meccanica adeguata.
A3: Sì. Se i raggi sono troppo piccoli/stretti o se non sono sufficienti, la resistenza diventa troppo elevata e provoca una caduta di tensione. È necessario trovare un compromesso tra la creazione di un raffreddamento termico e il mantenimento dei collegamenti elettrici.
A4: Uno spessore maggiore del rame comporta una conduzione più rapida, pertanto raggi più larghi o più numerosi potrebbero favorire la saldabilità/circolazione e le capacità di corrente.
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