Тепловые переходные отверстия

Довольно часто на печатной плате находится более горячий, чем хотелось бы, компонент. Классический способ отведения тепла от такого компонента состоит в том, чтобы создать под ним медную прокладку, а затем разместить переходные отверстия между прокладкой и теплопроводной поверхностью расположенной где-то под прокладкой. Такие переходные отверстия называются «тепловыми переходными отверстиями». Идея состоит в том, что тепловые отверстия будут отводить тепло от контактной площадки, тем самым помогая снизить температуру горячего компонента.

Различные источники предполагают — без особой теоретической или экспериментальной проверки — что оптимальный размер такого отверстия составляет 0,3 мм в диаметре и что оно должно быть заполнено медью. А так как каждое переходное отверстие обеспечивает незначительное повышение температуры, практический предел количества переходных отверстий составляет от 50 до 100.

В большинстве статей, посвященных тепловым переходным отверстиям, авторы не учитывают очень важный момент. Тепловые переходы должны идти от контактной площадки «куда-то». И это «где-то» обычно представляет собой медную пластину, расположенную в стеке платы под нагреваемой поверхностью платы. Важно понять, какие факторы более сильно влияют на температуру контактной площадки: тепловые отверстия или нижележащая поверхность.

Тепловое моделирование Thermal Risk Management (TRM)

Изучим вышеперечисленные факторы с помощью инструмента теплового моделирования под названием TRM что означает Thermal Risk Management. Начнем с типичной платы FR4 толщиной 1600 мкм и размером 100 x 100 мм2. Мы моделируем нагретый компонент с площадкой 25 x 25 мм2. Уникальная возможность модели TRM заключается в том, что мы можем подавать определенное количество ватт на медную площадку для ее нагрева вместо пропускания тока через площадку. Это позволяет избежать расчета различных токов через контактные площадки, переходные отверстия и плоскости. В нашем случае мы подадим на площадку 2,5 Вт, нагревая «голую» площадку до 95,7oC—75,7oC выше температуры окружающей среды. На рисунке 1 показано распределение тепла по верхнему слою платы в этих условиях.

Рис. 1. Тепловое распределение показано на нагревательной площадке без каких-либо лежащих под ней компонентов.

 

Обратите внимание, что температура площадки самая высокая в центре. Она также выше по краям. Это связано с тем, что углы охлаждаются эффективнее, чем стороны площадки, а стороны охлаждаются эффективнее, чем центр.

К сожалению, существует почти неограниченное количество способов использования тепловых отверстий в конструкции. Конструкции могут различаются по размерам, материалам, количеству и размерам тепловых отверстий и выделению тепла. Таким образом, не существует «типичного» дизайна, который мы можем смоделировать. Сначала обозначим два момента:

  1. Тепловые переходные отверстия почти всегда (почти по определению) имеют переходные отверстия, оканчивающиеся на медной «плоскости» определенного размера — полигон.
  2. Полигон обладает бОльшим потенциалом охлаждения, чем ряд тепловых переходов (отверстий).

 

Рассмотрим две разные конфигурации полигонов. Одним из них полигон («маленький») т.е. того же размера, что и контактная площадка. Другой будет плоскостью («большой»), которая покрывает всю площадь платы на каком-то слое печатной платы. Плоскости будут размещены на двух разных слоях печатной платы. Один будет на 300 мкм — «почти», примерно на 12 мил — ниже контактной площадки. Другой будет на «дальней» стороне платы, почти на 1,6 мм — примерно 63 мила — ниже контактной площадки.

При симуляции будем считать, что наши модели охлаждаются «естественным образом», то есть тепло будет проходить через них к материалу платы и окружающему воздуху. В одной дополнительной паре симуляций эти плоскости станут «радиаторами». То есть их температура должна поддерживаться постоянной на уровне 20 oC.

Каждое тепловое отверстие будет иметь диаметр 0,3 мм — приблизительно 12 мил. Предположим, что тепловые отверстия заполнены плакированной медью, которая практически является чистой медью. Значит мы будем иметь наилучшую возможную теплопроводность через переходное отверстие. Если бы стенки переходных отверстий были покрыты металлическим покрытием толщиной, скажем, 1,5 мил, их теплопроводность была бы значительно меньше.

Интересно сравнить теплопроводные качества термоперехода с материалом платы. Формула теплопроводности без учета конвекции, излучения и распространения тепла:

 

Q/t = KA (ΔT)/d (1)

Где:

Q/t = скорость теплопередачи (ватт или джоуль/сек)

K = коэффициент теплопроводности (Вт/мК)

              Около 0,6 для нашей модели FR4

              Около 385 за медь

Δ T = Изменение температуры ( o C = o K)

A = площадь перекрытия

              Около 625 мм 2 для площадки

              πr 2 = (3,14) * (0,15 2 ) = 0,0707 мм 2 для каждого теплового перехода

d = расстояние между площадкой и плоскостью

              300 мкм для «ближней» плоскости

              1,6 мм для «дальней» плоскости

 

Скорость теплопередачи для контактной площадки и для тепловых отверстий различна. Мы можем сравнить их величины, составив соотношение (Δ T и d сокращаются):

 

(Q/t) p /(Q/t) tv = (кА) p /(кА) tv = (0,6)(625)/(385)(0,0707) = 13,8 (2)

 

То есть теплопроводность через материал платы в данном конкретном исполнении почти в 14 раз больше, чем через тепловые отверстия. Важно отметить, что наличие нижележащей плоскости снижает температуру контактной площадки. Следовательно, теплопроводность теплового отверстия дополнительно снижается, поскольку ΔT была уменьшена из-за наличия полигона.

Результаты симуляции

На рис. 2 графически показаны результаты моделирования. Источник мощностью 2,5 Вт нагревает площадку до 95,7 °С. Перегрев в 75,7 °С по сравнению с температурой окружающей среды 20 °С. На графике показана максимальная температура на площадке для каждой комбинации полигона и количества тепловых отверстий. Различные комбинации плоскостей и тепловых отверстий оказывают некоторое влияние на максимальную температуру пластины. Но некоторые факторы гораздо важнее других.

Рис. 2 Максимальная температура на контактной площадке в зависимости от количества тепловых отверстий показана для различных конфигураций полигонов.

Воздействие полигонов преобладает

Наличие подстилающего полигона значительно снижает температуру площадки. Интуитивно понять не сложно. Но это также повышает температуру подстилающей плоскости. Например, на рис. 3 показано распределение тепла на нижнем слое корпуса «малой» плоскости на дальней стороне платы. Температура в полигоне находится в диапазоне 80 градусов, но быстро падает до температуры окружающей среды за пределами полигона.

Рис. 3 Тепловое распределение нижнего слоя показано для случая «маленькая плоскость — далекая».

 

Стабильная температура комбинации площадка/полигон зависит от относительного размера полигона. Поскольку источник тепла находится на площадке, температура площадки повышает температуру малого полигона. Более крупный полигон с большей охлаждающей способностью снижает температуру площадки. В любом случае разница температур между площадкой и плоскостью относительно невелика, в наших моделях чуть меньше 10 °С.

Стабилизированная (абсолютная) температура будет находиться где-то между температурой площадки и температурой окружающей среды — в нашем случае довольно близко к среднему диапазону температур. Однако в случае использования радиатора температура площадки снижается почти до температуры самого радиатора.

В результате разница температур между площадкой и любой плоскостью (ΔT в уравнении 1) при каждом моделировании значительно снижается. Таблица 1 иллюстрирует, что происходит в наших симуляциях. Поскольку наличие плоскостей приводит к столь резкому падению ΔT, теплопроводность через тепловое отверстие (уравнение 1) уменьшается до такой степени, что увеличение количества тепловых отверстий могут иметь незначительный эффект или не иметь никакого эффекта.

Таблица 1. Наличие плоскости снижает температуру контактной площадки, но повышает температуру полигона

 

Приведенные выше утверждения применимы ко всем нашим симуляциям. Но важно отметить, что небольшой полигон, добавленная к плате для охлаждения нагретой площадки, неэффективен.

Локальное снижение температуры на тепловых переходах

Те небольшие дополнительные преимущества по снижению температуры, которые могут предложить тепловые отверстия, ограничены очень узкой областью вокруг самого отверстия. На рис. 4 показано распределение тепла для площадки на рис. 1 с добавлением «большой плоскости, далекой». Слева показан случай отсутствия тепловых переходов, а справа — 25 тепловых переходов. Обратите внимание на тепловую шкалу для этих изображений. Характерное охлаждение по краям и углам площадки почти такое же, как и для площадки без полигона. Максимальная температура для этой площадки в этих условиях без каких-либо тепловых отверстий (из таблицы 1) составляет около 58 oC. Переходные отверстия обеспечивают разницу в температуре всего на пару градусов по сравнению с макетом без переходных отверстий, и эта разница локализована очень близко к самим переходам.

Рис. 4 Тепловые отверстия лишь незначительно влияют на распределение тепла на контактной площадке

 

Тепловые переходы почти по определению требуют наличия медной поверхности значительной площади. Наличие этой медной поверхности влияет на распределение тепла по плате. При охлаждении контактной площадки разница температур (Δ T ) между нагретой площадкой и медной поверхностью сводиться до минимальных значений, что снижает теплопроводность через тепловые отверстия до такой степени, что тепловые отверстия дают очень мало дополнительных преимуществ.

Кроме того, если дополнительная площадь медной поверхности мала, то стабилизированная температура контактной площадки может быть лишь незначительно ниже, чем без контактной площадки. Наиболее эффективное снижение достигается за счет относительно большой области медных дорожек или наличия силового/опорного полигона, расположенного относительно близко к дальней стороне платы.

Наконец, любые температурные переходы, которые добавляются к плате, как правило, оказывают лишь «точечное» воздействие. То есть они, как правило, воздействуют на контактную площадку только в том месте, где они расположены. Это основная причина, почему так много авторов считают, что обычно требуется большое количество тепловых отверстий.

 

Источник: www.edn.com