Đánh giá về Quản lý Điện trở Nhiệt của PCB với Các Via Nhiệt

Thiết kế PCB và quản lý nhiệt độ có mối liên hệ mật thiết vì các vấn đề về nhiệt độ được biết đến là làm giảm đáng kể tuổi thọ hữu ích của bảng mạch và các linh kiện. Nhiệt độ được tạo ra trong một bảng mạch bởi các linh kiện chủ động và bị động thường bị giữ lại gần các linh kiện, dẫn đến sự tăng nhiệt độ cao do độ dẫn nhiệt thấp của hầu hết các chất nền bảng mạch. Việc thay đổi nhiệt độ thường xuyên của bảng mạch và các linh kiện giữa nhiệt độ cao và thấp sẽ giảm tuổi thọ của hệ thống và có thể dẫn đến hỏng hóc sớm của các linh kiện hoặc dẫn điện bằng đồng.

Mọi nhà thiết kế nên xem xét cách quản lý nhiệt độ sinh ra từ các linh kiện của họ bằng cách sử dụng một sự kết hợp của các chiến lược. Trong số các chiến lược khác nhau, nhà thiết kế có thể sử dụng miếng dẫn nhiệt và tản nhiệt trên mỗi linh kiện chủ động, sử dụng sáng tạo các lớp đồng bên trong, chất liệu nền có độ dẫn nhiệt cao, và vias nhiệt gần các linh kiện chủ động tiêu thụ công suất cao. Việc đặt linh kiện một cách chiến lược cũng quan trọng để ngăn chặn sự hình thành các điểm nóng trên bảng mạch in của bạn.

Nhờ vào các công cụ thiết kế và phân tích trong Altium Designer, bạn có thể xây dựng một chiến lược giúp giữ nhiệt độ của bảng mạch trong giới hạn chấp nhận được, mặc dù hầu hết các vật liệu nền PCB có điện trở nhiệt cao. Công cụ bố trí PCB cho phép bạn thiết kế bảng mạch của mình với các via nhiệt, biện pháp làm mát bị động và chủ động, và các vật liệu nền có độ dẫn nhiệt cao và cấu trúc xếp chồng tùy chỉnh.

ALTIUM DESIGNER

Một nền tảng thiết kế PCB thống nhất tích hợp các tính năng bố trí PCB tiên tiến với các tính năng thiết kế via và pad toàn diện.

Các linh kiện trên bất kỳ bảng mạch nào cũng sẽ phát ra một số nhiệt khi hoạt động, và nhà thiết kế chủ động sẽ thực hiện các bước để chống lại sự tăng nhiệt độ quá mức trong quá trình hoạt động. Nếu bạn từng thấy một PC chơi game được ép xung, thì bạn sẽ quen thuộc với những quạt làm mát khổng lồ và thậm chí là hệ thống làm mát bằng chất lỏng được sử dụng để loại bỏ nhiệt từ các thẻ đồ họa và bộ xử lý. Có lẽ, bảng mạch của bạn sẽ không cần đến những biện pháp tản nhiệt cực đoan như vậy. Tuy nhiên, bạn nên xem xét cách loại bỏ nhiệt từ các linh kiện và tạo ra một phân phối nhiệt độ đều khắp bảng mạch của mình.

Sự cản nhiệt cao của nhiều loại vật liệu làm bản mạch có thể gây ra các điểm nóng gần các linh kiện hoạt động. Những điểm nóng này thường tích tụ gần các linh kiện phát ra một lượng nhiệt đáng kể. Trong số các phương pháp khác nhau để chống lại sự tăng nhiệt trên PCB, vias nhiệt đặc biệt hữu ích trong việc vận chuyển nhiệt từ các linh kiện hoạt động và vào một lớp nội bộ của bộ xếp chồng của bạn.

Việc đặt vias nhiệt dưới một pad với một paddle gắn chíp với mật độ số lượng phù hợp là một phương pháp để vận chuyển nhiệt vào lớp bên trong của bảng mạch. Bạn sẽ thấy kết quả tốt nhất nếu bạn tối ưu hóa số lượng và sắp xếp của vias nhiệt dưới linh kiện đang được nói đến. Khi kết hợp với các phương pháp làm mát khác, như sử dụng tản nhiệt và miếng dẫn nhiệt trên mỗi linh kiện hoạt động, và một số biện pháp làm mát chủ động, bạn sẽ có thể giữ nhiệt độ của các linh kiện dưới giá trị tối đa cho phép và kéo dài tuổi thọ của bảng mạch của bạn.

Vias Nhiệt là gì?

Vì nhiều linh kiện hoạt động, như thiết bị điện tử công suất, bộ xử lý tốc độ cao, và các thành phần tần số cao, tạo ra nhiệt đáng kể trong quá trình hoạt động, những thiết bị này đòi hỏi một phương pháp tản nhiệt để giữ nhiệt độ hoạt động dưới mức tối đa cho phép. Các via nhiệt đơn giản là các via được đặt dưới một linh kiện mà xuyên qua cấu trúc xếp chồng. Những via này có thể kết nối với mặt đất trong cấu trúc để chuyển nhiệt đến lớp bên trong, nơi nhiệt sau đó dẫn qua lớp mặt đất đến phần còn lại của bảng mạch.

Các via nhiệt có thể được đặt như các via xuyên lỗ để chúng cung cấp tản nhiệt xuyên suốt cấu trúc xếp chồng. Vòng annular của các via nhiệt này nên được nhìn thấy qua lớp mặt nạ hàn trên lớp bề mặt dưới linh kiện mục tiêu. Chúng có thể được hàn vào bàn đế gắn chíp để cung cấp độ dẫn nhiệt đồng nhất xuyên suốt cấu trúc. Lấp đầy các via này bằng epoxy hoặc phủ chúng cũng là một ý tưởng tốt vì điều này ngăn chặn hàn chảy qua mặt sau của bảng mạch. Nếu bạn kiểm tra phân bố nhiệt độ xuyên suốt bảng mạch, bạn sẽ thấy rằng phân bố nhiệt độ ở lớp bề mặt và lớp bên trong lan rộng ra khi bạn di chuyển ra xa khỏi một via nhiệt.

Vận chuyển nhiệt ra khỏi các via nhiệt vào chất nền bảng mạch

Sắp xếp Các Via Nhiệt Dưới một Linh Kiện SMD

Nhiều linh kiện, như linh kiện trong gói QFP, bao gồm một tấm gắn chíp ở phía dưới của linh kiện, và các via nhiệt nên được sắp xếp theo một mẫu phù hợp dưới linh kiện. Việc đặt số lượng via nhiệt đúng đắn với khoảng cách phù hợp giữa chúng sẽ tối ưu hóa khả năng dẫn nhiệt hiệu quả của cấu trúc, cho phép lượng nhiệt tối đa được vận chuyển vào chất nền và làm cho nhiệt độ gần hơn với nhiệt độ môi trường xung quanh. Nói chung, bạn nên chọn nhiều via nhiệt hơn trong khi vẫn nằm trong ngân sách sản xuất của mình.

Ví dụ về khoảng cách của các via nhiệt trên một bảng mạch

Vì nhiều bảng mạch in được thiết kế trên chất nền FR4, sự cản trở nhiệt cao của vật liệu chất nền này đòi hỏi một phương pháp tản nhiệt nào đó để giảm nhiệt độ của bảng mạch. Các nhà thiết kế nên xem xét kết hợp via nhiệt với các phương pháp tản nhiệt khác để đưa nhiệt độ chất nền và linh kiện về mức chấp nhận được. Điều này đặc biệt quan trọng nếu bảng mạch của bạn sẽ liên tục được chuyển đổi giữa nhiệt độ cao và thấp.

• Các via nhiệt chỉ là một phần của chiến lược quản lý nhiệt độ lớn hơn cho PCB của bạn. Bạn nên bao gồm các phương pháp tản nhiệt khác, như tản nhiệt, miếng dẫn nhiệt hoặc keo tản nhiệt, và quạt làm mát nếu các via nhiệt không tản đủ nhiệt độ vào lớp bên trong. Tìm hiểu thêm về việc xây dựng chiến lược quản lý nhiệt cho PCB của bạn.
• Mỗi via trên PCB của bạn sẽ ảnh hưởng đến ngân sách sản xuất của bạn, và bạn nên cân nhắc kỹ lưỡng quy trình sản xuất PCB và ngân sách khi đặt các via nhiệt.

  Tìm hiểu thêm về quy trình sản xuất và lắp ráp bảng mạch.

• Giống như các dẫn điện bằng đồng khác trong PCB của bạn, các via nhiệt nên được đặt theo các quy tắc thiết kế và ràng buộc của bạn.

  Tìm hiểu thêm về việc sử dụng kiểm tra quy tắc thiết kế trong phần mềm thiết kế PCB của bạn.

Quy tắc thiết kế via, pad và đa giác trong Altium Designer

Nền tảng của bạn, Via Nhiệt, và Truyền Nhiệt

Dù bạn có sử dụng via nhiệt, bạn cũng không thể đảm bảo rằng nhiệt độ của bảng mạch sẽ giảm xuống một giá trị thấp đủ. Điều này đặc biệt đúng khi bảng mạch của bạn được triển khai trong một môi trường có nhiệt độ cao hơn, hoặc trong một phần của hệ thống của bạn sẽ đạt đến nhiệt độ cao hơn. Trong khi bảng mạch của bạn đang hoạt động, gradient nhiệt giữa các thành phần của bạn và môi trường sẽ thấp hơn, điều này sẽ giảm tốc độ truyền nhiệt giữa các khu vực nóng và lạnh.

Đây là lúc sử dụng một loại nền với độ dẫn nhiệt cao trở nên hữu ích để nhanh chóng vận chuyển nhiệt ra khỏi các thành phần hoạt động. Gốm là một trong những lựa chọn tốt nhất của vật liệu nền với độ dẫn nhiệt cao. Một lựa chọn khác là sử dụng PCB lõi kim loại; lõi đồng dày sẽ cung cấp khả năng tản nhiệt đáng kể so với một bộ xếp lớp FR4 tiêu chuẩn. Khi kết hợp với via nhiệt, nền và bộ xếp lớp của bạn sẽ giúp nhiệt dễ dàng di chuyển theo chiều ngang qua bảng mạch của bạn, dẫn đến một nhiệt độ cân bằng đồng đều hơn trong quá trình hoạt động. Điều này dẫn đến sự giãn nở nhiệt đồng đều hơn của PCB của bạn, làm cho áp lực nội bộ ít được tập trung hơn ở các dẫn điện đồng khác nhau trong hệ thống của bạn.

Phương pháp Quản lý Nhiệt khác

Các phương pháp quản lý nhiệt khác trong PCB của bạn có thể đảm bảo nhiệt độ của bảng mạch gần với nhiệt độ môi trường xung quanh hơn. Những phương pháp này bao gồm việc gắn một tản nhiệt vào các bộ xử lý tốc độ cao và các thành phần quan trọng khác. Một miếng đệm nhiệt trên tản nhiệt giúp cung cấp một con đường dẫn nhiệt độ cao cho nhiệt thoát ra khỏi thành phần. Nếu bạn có một số lượng lớn các thành phần công suất cao trên bảng mạch của mình, bạn có thể không có lựa chọn nào khác ngoài việc thêm quạt vào thiết kế của mình để loại bỏ nhiệt khỏi các thành phần quan trọng.

Vật liệu nền và cấu trúc lớp của bạn cũng nên được thiết kế với mục tiêu hướng nhiệt ra xa từ lớp bề mặt của bảng mạch. Độ dẫn nhiệt cao của đồng trong một lớp bên trong của PCB sẽ dễ dàng vận chuyển nhiệt ra xa từ các via nhiệt và hướng tới các cạnh của PCB. Sự sắp xếp các thành phần cũng rất quan trọng. Các thành phần tạo ra nhiều nhiệt nhất nên được đặt gần trung tâm của bảng mạch hơn là ở mép, vì điều này sẽ cho phép nhiệt tản ra một khu vực lớn hơn trên PCB của bạn.

• Các via nhiệt của bạn nên được thiết kế để tuân thủ các tiêu chuẩn về hiệu suất nhiệt IPC 2152. Tìm hiểu thêm về thiết kế tuân thủ các hướng dẫn IPC 2152.
• Có rất nhiều phương pháp tản nhiệt bị động bạn có thể sử dụng để kiểm soát nhiệt độ của PCB của mình.

  Tìm hiểu thêm về các kỹ thuật quản lý nhiệt bị động cho bảng mạch của bạn.

• Một loại vật liệu nền thay thế là lựa chọn xuất sắc để truyền nhiệt từ các khu vực nóng sang lạnh trên bảng mạch của bạn và nhanh chóng tản nhiệt ra môi trường.

  Tìm hiểu thêm về việc làm việc với các vật liệu nền thay thế.

Vật liệu nền và cấu trúc xếp chồng của bạn sẽ xác định sự cản trở nhiệt trong bảng mạch của bạn

Làm việc với Phần mềm Thiết kế Via Nhiệt

Phần mềm thiết kế via nhiệt sử dụng công cụ CAD để định nghĩa hình dạng tiêu chuẩn cho các via của bạn và phạm vi của chúng xuyên suốt lớp xếp chồng của bạn. Với các công cụ bố trí mạch in phù hợp, bạn có thể thiết kế hình dạng và sắp xếp của các via nhiệt của mình nhằm tạo ra một chiến lược quản lý nhiệt toàn diện. Phần mềm tốt nhất cho việc thiết kế via nhiệt cũng bao gồm các tính năng thiết kế xếp chồng. Điều này cho phép bạn xác định các lớp đồng bên trong sẽ giúp dẫn nhiệt xuyên suốt PCB của bạn. Những công cụ này nên được truy cập cùng với các tính năng định tuyến và bố trí quan trọng khác của bạn, cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh trên một nền tảng duy nhất.

Hoàn thiện Thiết kế và Bố trí Via Nhiệt trong Altium Designer

Với các tính năng xếp chồng và via nhiệt toàn diện của Altium Designer, bạn có thể dễ dàng tạo lớp xếp chồng, via nhiệt và bố trí mạch in trong một chương trình duy nhất. Các công cụ CAD của Altium Designer có thể truy cập cùng với một bộ đầy đủ các tính năng mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất.

• Môi trường thiết kế tích hợp trong Altium Designer cung cấp tất cả các công cụ CAD bạn cần trong một ứng dụng duy nhất. Bạn sẽ có quyền truy cập vào các tính năng thiết kế và bố trí via nhiệt quan trọng trong một chương trình. Tìm hiểu thêm về thiết kế thống nhất trong Altium Designer.
• Làm việc với phần mềm thiết kế mạch in theo quy tắc cho phép bạn định nghĩa các quy tắc và ràng buộc thiết kế quan trọng cho bảng mạch của mình. Điều này giúp đảm bảo chức năng và khả năng sản xuất. Tìm hiểu thêm về động cơ thiết kế theo quy tắc của Altium Designer.
• Với thư viện xếp chồng vật liệu của Altium Designer, bạn có thể chọn từ một bộ lớn các vật liệu nền tiêu chuẩn với độ dẫn nhiệt cao hoặc thấp và các tính chất điện khác nhau. Tìm hiểu thêm về thư viện xếp chồng vật liệu của Altium Designer.

Các công cụ CAD và tính năng quản lý trong Altium Designer là lý tưởng cho việc thiết kế các via nhiệt, bố trí linh kiện, và đặt các biện pháp làm mát chủ động và bị động để hỗ trợ truyền nhiệt trong toàn bộ hệ thống của bạn. Bạn sẽ có thể định nghĩa bố cục via và yêu cầu sản xuất của mình dưới dạng các quy tắc và ràng buộc thiết kế. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào một bộ tính năng mô phỏng và phân tích mạnh mẽ trong một ứng dụng đơn. Khi bạn thêm thư viện chất liệu xếp chồng và thư viện linh kiện rộng lớn, bạn có tất cả các tính năng cần thiết để thiết kế các bảng mạch in với một chiến lược quản lý nhiệt mạnh mẽ và đưa chúng vào sản xuất.

Chỉ có Altium cung cấp cho bạn một bộ tài nguyên lớn cho thiết kế mạch in. Bạn sẽ có quyền truy cập vào diễn đàn AltiumLive, các webinar và podcast với các chuyên gia trong ngành, các hướng dẫn thiết kế, và một cơ sở kiến thức rộng lớn với nhiều mẹo thiết kế. Không có công ty phần mềm thiết kế PCB nào khác cung cấp cho bạn mức độ hỗ trợ này. Thay vì làm việc với các nền tảng thiết kế mạch in tách biệt các tính năng thiết kế quan trọng ra khỏi các ứng dụng khác nhau, đã đến lúc áp dụng một cách tiếp cận tích hợp cho thiết kế và bố trí. Đã đến lúc chuyển sang Altium Designer.