Hướng dẫn thiết kế Thermal Relief

Một trong những lỗi lắp ráp PCB phổ biến nhất thường được nhắc đến trong các hướng dẫn về DFA là hiện tượng tombstoning; lỗi phổ biến thứ hai có lẽ là mối hàn nguội, trong đó lỗi sau thường được chỉ ra cụ thể ở các chân xuyên lỗ. Dù hai lỗi này thoạt nhìn có vẻ không liên quan, nhưng cả hai đều gắn với việc nhiệt bị dẫn ra khỏi chân hoặc pad của linh kiện. Trong bố cục PCB, vấn đề này được xử lý bằng cách thêm pad giảm nhiệt (thermal relief) vào linh kiện bị ảnh hưởng để nhiệt được giữ lại trong quá trình hàn.

Khi đó câu hỏi đặt ra là: khi nào nên áp dụng thermal pad, và những linh kiện nào sẽ cần đến chúng? Một số hướng dẫn DFA truyền đạt việc sử dụng thermal pad như thể đó là điều cần thiết ở mọi nơi, và đôi khi quy tắc thiết kế mặc định trong một PCB hoặc dự án sẽ ép buộc điều này trên toàn bộ thiết kế. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ phân tích cách chọn thiết lập phù hợp cho thermal pad và vị trí nên áp dụng chúng.

Nên áp dụng thermal relief ở đâu

Một hình ảnh đơn giản về thermal relief trong bố cục PCB được thể hiện bên dưới. Các thermal relief này gồm những nhánh nhỏ nối đồng với một pad cho linh kiện SMD hoặc chân xuyên lỗ. Các thermal relief này được áp dụng tự động trong công cụ CAD của bạn, vì vậy bạn không cần tự vẽ các nhánh kết nối này, vốn là các trace nhỏ hoặc vùng fill.

Thermal relief trên các chân xuyên lỗ.

Ở đây ta thấy hai trường hợp nên áp dụng thermal relief:

• Trên các pad SMD định nghĩa bằng mask, tức là các pad nằm trên vùng đổ đồng
• Trên các chân xuyên lỗ mà pad có kết nối tới một plane

Thermal relief không cần thiết trong các trường hợp sau

• Trên các pad SMD định nghĩa bằng mask nối với một vùng đổ đồng nhỏ
• Trên các pad chân xuyên lỗ nối với một vùng đổ đồng nhỏ
• Trên via nối với vùng đổ đồng hoặc plane, ngay cả khi vùng đổ đồng đó nối với một pad SMD

Điểm cuối cùng này khá quan trọng vì về mặt kỹ thuật hoàn toàn có thể đặt thermal relief lên một via. Thành thật mà nói, không có giá trị gì khi đặt thermal relief lên một via nối tới vùng đổ đồng mà vùng đó cũng nối tới một pad SMD. Nếu bạn cần thermal relief, hãy đặt nó trên pad SMD thay vì trên via. Mục tiêu là giữ nhiệt tập trung ở pad SMD, chứ không phải để nhiệt lan ra khắp một vùng đồng lớn.

Bên trái: thermal relief trên các chân xuyên lỗ của một pin header. Bên phải: thermal relief trên các pad SMD nối với vùng đổ đồng trên cùng lớp.

Cũng có một vài trường hợp khác không cần thermal relief, đặc biệt là với linh kiện SMD. Bao gồm:

• Khi kết nối tới vùng đổ đồng trông rất giống một trace
• Trên các pad gắn die của mạch tích hợp
• Khi có thể đảm bảo việc gia nhiệt đồng đều trên toàn bộ bo mạch trong quá trình hàn

Điểm cuối cùng liên quan đến quy trình hàn. Với hàn reflow, khả năng bạn cần thermal relief pad ở khắp mọi nơi sẽ thấp hơn nhiều. Tuy nhiên, nếu bạn sẽ hàn tay tất cả các linh kiện SMD, đặc biệt là các linh kiện thụ động SMD, thì việc thêm thermal relief vào các pad SMD của các linh kiện thụ động có thể là hợp lý. Hàn bằng khí nóng hoặc hàn bằng hot plate thì khó khẳng định hơn, vì nó phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người lắp ráp và thiết bị được sử dụng.

Khi nào một vùng đổ đồng được xem là lớn?

Đây là một câu hỏi quan trọng, vì nó sẽ quyết định khi nào cần đặt thermal relief trên các chân xuyên lỗ hoặc trên các pad SMD. Với linh kiện xuyên lỗ, thông thường chúng ta đặt thermal relief tại điểm kết nối tới plane. Tuy nhiên, nếu ta dùng một vùng đổ đồng trên một lớp thay cho lớp plane, thì về bản chất ta cũng có cùng một tình huống: một vùng đồng lớn có thể hút nhiệt ra khỏi chân linh kiện và do đó có thể cần thermal relief. Hiệu ứng tương tự cũng xảy ra với linh kiện SMD nằm trên một vùng đồng, chẳng hạn như một vùng fill đồng lớn trên một trong các lớp bề mặt.

Nhưng nếu bạn nối một trong các linh kiện này với một polygon trên một lớp nào đó, liệu mọi polygon đều cần có thermal relief không? Tôi cho rằng câu trả lời là “không”.

• Khi vùng đổ đồng rất nhỏ, nó trông giống như một trace và không cần thermal relief.
• Khi vùng đổ đồng ở lớp trong rất lớn, nó trông rất giống một plane và thermal relief sẽ cần thiết cho các lỗ xuyên.
• Khi vùng đổ đồng ở lớp bề mặt đủ lớn để phủ phần lớn bề mặt, nó cũng tương tự như một plane và thermal relief sẽ trở nên cần thiết.

Ở đâu đó giữa vùng đổ đồng rất nhỏ và rất lớn sẽ có một ngưỡng mà tại đó thermal relief trên chân hoặc pad của linh kiện bắt đầu trở nên cần thiết. Rất khó dự đoán chính xác ngưỡng này nếu không chạy mẫu coupon thử nghiệm qua quy trình hàn cho một lô bo mạch lớn. Người ta cũng sẽ kỳ vọng có sự khác biệt giữa hàn reflow và hàn tay. Dù điều này có thể được mô phỏng, cách tiếp cận tốt hơn là chấp nhận rằng điểm mà thermal relief trở nên cần thiết phải được xác định từ việc kiểm tra chất lượng trên các bo mạch đã lắp ráp.

Thiết kế thermal relief nên như thế nào?

Nhà thiết kế không cần bỏ quá nhiều công sức để tạo thermal relief. Thông thường, một kết nối dạng nhánh đơn giản từ bốn phía của chân hoặc pad là chấp nhận được. Kích thước các nhánh trace và khoảng hở hoặc kích thước phần mở nên được chọn sao cho các chi tiết biên không quá nhỏ. Đừng làm nhánh nối của pad quá mỏng đến mức thấp hơn giới hạn ăn mòn mạch của nhà chế tạo. Đồng thời, hãy làm phần mở quanh pad đủ lớn để vẫn lớn hơn giới hạn khoảng hở mép.

Thông thường, trace 8 mil với khoảng hở 10 mil sẽ phù hợp với phần lớn linh kiện. Với các linh kiện thụ động kích thước vỏ nhỏ hơn nhiều và được đặt với mật độ cao, bề rộng trace và khoảng hở có thể được giảm xuống để các trace có thể đi vừa quanh pad.

Thermal relief được áp dụng trên một pad tùy chỉnh trong Altium.

Thiết kế thermal relief trong Altium

Altium cung cấp nhiều cách để triển khai thermal relief pad trên linh kiện SMD và linh kiện xuyên lỗ. Có thể áp dụng trên toàn cục hoặc chọn lọc như sau:

• Áp dụng kiểu thermal relief bằng cách sử dụng quy tắc thiết kế kết nối plane hoặc polygon
• Áp dụng thermal relief pad bằng quy tắc thiết kế nhưng giới hạn phạm vi cho các footprint hoặc class linh kiện cụ thể
• Áp dụng thermal relief pad cho một pad SMD hoặc chân xuyên lỗ cụ thể dựa trên thuộc tính của pad/chân

Hệ thống quy tắc thiết kế và hệ thống truy vấn trong Altium cho phép bạn kết hợp linh hoạt các cách tiếp cận này cho các loại linh kiện khác nhau hoặc các nhóm linh kiện khác nhau. Nếu bạn sử dụng các quy tắc thiết kế, bạn vẫn luôn có tùy chọn áp dụng thermal relief thủ công trên các chân xuyên lỗ hoặc pad SMD cụ thể.

Để tìm hiểu thêm về cách áp dụng thermal relief pad trong bố cục PCB của bạn, hãy xem các liên kết sau trong tài liệu Altium:

• Kiểu kết nối polygon
• Định nghĩa thermal relief tùy chỉnh

Dù bạn cần xây dựng hệ điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, Altium Develop hợp nhất mọi chuyên ngành thành một lực lượng cộng tác thống nhất. Không còn bị chia cắt. Không còn bị giới hạn. Đây là nơi các kỹ sư, nhà thiết kế và nhà đổi mới làm việc như một thể thống nhất để đồng sáng tạo mà không bị ràng buộc. Hãy trải nghiệm Altium Develop ngay hôm nay!