คู่มือวิศวกรรม22 เมษายน 2569• 10 min อ่าน
เมื่อใดจึงควรใช้ Thermal Vias ภายใต้ส่วนประกอบที่ร้อน
คำตอบแบบย่อ
ใช้จุดผ่านความร้อนภายใต้ส่วนประกอบที่มีความร้อน เมื่อบรรจุภัณฑ์มีแผ่นสัมผัสหรือแหล่งความร้อนเข้มข้น และทองแดงชั้นบนสุดเพียงอย่างเดียวไม่สามารถเคลื่อนความร้อนไปยังทองแดงด้านในหรือด้านล่างที่ใหญ่กว่าได้ โดยปกติแล้วสิ่งเหล่านี้มักจะคุ้มค่าที่จะเพิ่มสำหรับหน่วยงานกำกับดูแล, กำลังไฟ QFN, LED, ไดรเวอร์มอเตอร์ และระยะ MOSFET ขนาดกะทัดรัดที่สูงกว่าประมาณ 1W ถึง 2W ของการกระจายในพื้นที่ แต่ควรได้รับการตรวจสอบอย่างรอบคอบเมื่อมีการบัดกรี wicking ผ่านต้นทุนการเติม ระยะห่างการแยก หรือผลผลิตจากการประกอบเป็นข้อจำกัดที่ใหญ่กว่า
ประเด็นสำคัญ
- •จุดระบายความร้อนจะมีประโยชน์มากที่สุดเมื่อความร้อนถูกกักอยู่ในบริเวณแผ่นเล็กๆ ไม่ใช่เมื่อบอร์ดมีทองแดงด้านบนและการไหลเวียนของอากาศเพียงพอแล้ว
- •แพ็คเกจแผ่นสัมผัส, แผ่นระบายความร้อน LED, ตัวควบคุม DC/DC, ตัวควบคุมเชิงเส้น และสเตจ MOSFET ขนาดกะทัดรัดเป็นกรณีที่พบบ่อยที่สุดที่ via array ให้ผลตอบแทนที่ดี
- •การเปิดจุดผ่านโดยตรงในแผ่นบัดกรีสามารถส่งผลกระทบต่อผลผลิตของการประกอบ จุดแวะแบบเต็นท์ เสียบปลั๊ก หรือเติมมักเป็นทางเลือกในการผลิตที่ปลอดภัยกว่า
- •อาเรย์ระบายความร้อนจะต้องมีขนาดร่วมกับพื้นที่ทองแดง การแพร่กระจายด้านล่าง และเส้นทางความร้อนจริงเข้าสู่แชสซีหรือการไหลเวียนของอากาศ
ใช้จุดระบายความร้อนภายใต้ส่วนประกอบที่ร้อน เมื่อแผ่นบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กพยายามถ่ายเทความร้อนมากกว่าที่ชั้นบนสุดสามารถแพร่กระจายได้ด้วยตัวเอง ในทางปฏิบัติ สิ่งเหล่านี้มีประโยชน์มากที่สุดภายใต้ตัวควบคุมแผ่นสัมผัส, QFN, LED, MOSFET และโมดูลพลังงานขนาดกะทัดรัดซึ่งมีความหนาแน่นความร้อนเฉพาะที่สูงและคุณมีทองแดงที่มีความหมายในชั้นในหรือด้านล่างเพื่อรับความร้อนนั้น หากด้านบนมีทองแดง การไหลเวียนของอากาศ หรือเส้นทางฮีทซิงค์โดยตรงเพียงพออยู่แล้ว จุดแวะที่มากขึ้นอาจเพิ่มความซับซ้อนโดยไม่เกิดประโยชน์มากนัก
กระบวนการทำงานทางวิศวกรรมที่เร็วที่สุดคือการตรวจสอบสามรายการร่วมกัน: การกระจายในพื้นที่ พื้นที่ทองแดงที่มีอยู่ และวิธีการประกอบ เริ่มต้นด้วย Trace width Calculator สำหรับเส้นทางปัจจุบัน Via Current Calculator สำหรับการแชร์ผ่านคอขวด และ เครื่องคำนวณความจุปัจจุบัน เมื่อเส้นทางทองแดงเดียวกันมีกระแสไฟฟ้าที่มีความหมายเช่นกัน
ใช้ Thermal Vias เมื่อความร้อนเข้มข้นลงในแผ่นขนาดเล็ก
คำถามสำคัญไม่ใช่ว่าส่วนประกอบจะอุ่นหรือไม่ คำถามที่แท้จริงคือความร้อนถูกกักอยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กและมีพื้นที่การแพร่กระจายของชั้นบนน้อยเกินไปหรือไม่ TO-220 ขนาดใหญ่ที่มีตัวยึดที่ตัวเครื่องอาจไม่จำเป็นต้องใช้จุดผ่านใต้แผ่นเลย ในขณะที่ตัวควบคุมบั๊ก QFN ขนาดเล็กจะได้รับประโยชน์ทันที เนื่องจากความร้อนส่วนใหญ่จะออกผ่านแผงระบายความร้อนแบบเปลือยอันเดียว
จุดผ่านความร้อนจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อเชื่อมต่อแหล่งความร้อนเข้มข้นนั้นเข้ากับทองแดงที่ช่วยได้จริง: ระนาบภายใน การไหลของทองแดงด้านล่าง บริเวณที่มีโลหะรองรับ หรืออินเทอร์เฟซฮีทซิงค์รอง หากชั้นรับถูกสับโดยระนาบแยก ข้อจำกัดในการกวาดล้าง หรือการกำหนดเส้นทางหนาแน่น สนามไวอาก็ไม่มีประโยชน์ในการส่งความร้อน
นี่คือเหตุผลว่าทำไมการตัดสินใจจึงอยู่ในการทบทวนเดียวกันกับ การวางแผนผ่านความร้อนเทียบกับสัญญาณผ่าน และ กลยุทธ์ชั้นภายในและภายนอก ผ่านทางอาเรย์ไม่ใช่การแก้ไขแบบเวทย์มนตร์ เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางกระจายความร้อนที่ใหญ่ขึ้น
คำแนะนำโดยตรง: เพิ่มจุดผ่านความร้อนเมื่อบรรจุภัณฑ์มีแผ่นสัมผัส และผลิตภัณฑ์อาจต้องใช้เกาะทองแดงขนาดเล็กด้านบนเพื่อขจัดความร้อนในพื้นที่ประมาณ 1W ถึง 2W
เมทริกซ์การตัดสินใจ: เมื่อ Thermal Vias คุ้มค่า
| สถานการณ์ส่วนประกอบ | ใช้จุดระบายความร้อนหรือไม่ | จุดเริ่มต้นที่ดี | ข้อควรระวังหลัก |
|---|---|---|---|
| QFN หรือตัวควบคุม DFN พร้อมแผ่นสัมผัส ประมาณ 1W ถึง 3W การสูญเสียเฉพาะที่ | โดยปกติแล้วใช่ | 4-9 จุดผ่านใต้แผ่นที่ผูกติดกับทองแดงด้านในและด้านล่าง | ป้องกันการบัดกรี wicking ด้วยจุดแวะที่เสียบ เติม หรือเต็นท์อย่างระมัดระวัง |
| LED ความสว่างสูงบนบอร์ด FR-4 | ปกติแล้วใช่ | หนาแน่นผ่านสนามภายใต้ทากระบายความร้อนเข้าไปในส่วนทองแดงหรือโลหะด้านหลัง | ด้านล่างยังคงต้องการพื้นที่การแพร่กระจายจริงหรือข้อต่อแชสซี |
| เวที MOSFET พลังงานที่มีการเทด้านบนและด้านล่างที่แข็งแกร่ง | มักจะใช่ | ใช้ vias ใกล้กับแผ่นระบายความร้อนและลูปกระแส ไม่เพียงแต่ในมุมเดียว | อย่าสร้างปัญหาคอขวดในปัจจุบันหรือคอดาวน์ยาวรอบอาเรย์ |
| ตัวควบคุมเชิงเส้นกระจายน้อยกว่าประมาณ 0.5W โดยมีการไหลเวียนของอากาศแบบเปิด | มักไม่จำเป็น | ลองใช้ทองแดงด้านบนที่ใหญ่กว่าก่อน | จุดแวะเพิ่มเติมอาจเพิ่มต้นทุนโดยวัดผลได้เพียงเล็กน้อย |
| โมดูลที่เชื่อมต่อกับฮีทซิงค์หรือแชสซีจากด้านบน | อาจจะ | ใช้ Vias เฉพาะในกรณีที่ PCB ยังคงเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางความร้อนที่ต้องการ | อย่าถือว่ามีความช่วยเหลือเพิ่มเติมเมื่อเส้นทางที่โดดเด่นอยู่ที่อื่น |
| แผ่นไวต่อการแยกหรือแผ่นไฟฟ้าแรงสูงที่มีกฎการคืบคลานที่เข้มงวด | ทีละกรณี | ตรวจสอบระยะห่างด้านความปลอดภัยก่อนที่จะเพิ่มอาร์เรย์ใด ๆ | อัตราขยายความร้อนไม่ได้แสดงให้เห็นถึงการละเมิดการกวาดล้างหรือ Creepage |
เมทริกซ์นี้ใช้งานได้จริงโดยเจตนา: อาเรย์ระบายความร้อนผ่านได้รับการพิสูจน์ด้วยความหนาแน่นทางความร้อนและเส้นทางความร้อนปลายน้ำที่แท้จริง ไม่ใช่โดยนิสัย
ตัวเลือกที่ดีที่สุด: ตัวควบคุม, LED, ไดรเวอร์ และขั้นตอนพลังงานหนาแน่น
นี่เป็นการออกแบบที่วิศวกรมักต้องการการตรวจสอบทั้งความร้อนและไฟฟ้าในเวลาเดียวกัน ทองแดงเดียวกันภายใต้ MOSFET หรือแผ่นควบคุมอาจจัดการการแพร่กระจายความร้อน การถ่ายเทกระแส และการควบคุมเส้นทางกลับร่วมกัน นั่นคือเหตุผลที่ คู่มือการกำหนดขนาด และ ตัวอย่างการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ IPC-2152 จึงเป็นข้อมูลอ้างอิงที่เป็นประโยชน์
- ตัวควบคุมบั๊ก บูสต์ และ LDO พร้อมแผ่นอิเล็กโทรดแบบเปลือย: แพ็คเกจเหล่านี้มักจะส่งความร้อนส่วนใหญ่ผ่านแผ่นตรงกลาง ดังนั้น Vias ใต้แผ่นนั้นจึงสามารถลดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อได้อย่างมากเมื่อบอร์ดมีขนาดกะทัดรัด
- ตัวขับมอเตอร์และไอซีตัวขับเกต: อุปกรณ์เหล่านี้รวมการสูญเสียการสลับ การสูญเสียการนำไฟฟ้า และมักจะมีพื้นที่จำกัด ทำให้แผ่นเปิดโล่งเป็นทางออกระบายความร้อนตามธรรมชาติ
- LED กำลังแรงสูง: อายุการใช้งานของ LED สัมพันธ์กับอุณหภูมิของหัวต่ออย่างมาก หาก PCB เป็นส่วนหนึ่งของโซ่ระบายความร้อน โดยปกติแล้ว Vias ใต้ตัวทากจะเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐาน
- รูปแบบ MOSFET ขนาดกะทัดรัดและสเตจกำลัง: เมื่อพื้นที่ทองแดงใกล้อุปกรณ์ถูกจำกัดโดยเป้าหมายการเหนี่ยวนำแบบลูป จุดผ่านความร้อนสามารถเคลื่อนความร้อนลงด้านล่างโดยไม่ต้องบังคับเส้นทางด้านบนที่ยาวขึ้น
- โมดูลจ่ายไฟบน FR-4 มาตรฐาน: หากแพดโมดูลมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับการกระจาย Vias จะช่วยกระจายความร้อนไปยังพื้นที่บอร์ดได้มากขึ้น ก่อนที่คุณจะข้ามไปยังทองแดงที่หนักกว่าหรือฮีทซิงค์ภายนอก
เมื่อ Thermal Vias เป็นวิธีแก้ไขครั้งแรกที่ผิด
ทีมออกแบบมักจะข้ามไปที่จุดระบายความร้อนเนื่องจากสามารถร่างภาพได้ง่าย แต่หากเส้นทางระบายความร้อนถูกครอบงำโดยการไหลเวียนของอากาศที่ไม่ดี ผนังตู้ที่ปิดสนิท หรือการคอลงทองแดงที่มีขนาดเล็กกว่าที่อื่น อาร์เรย์ via จะไม่แก้ไขข้อจำกัดที่แท้จริง
"Thermal vias เป็นเครื่องมือที่แข็งแกร่ง แต่หลังจากที่บอร์ดมีประโยชน์ในการส่งความร้อนแล้วเท่านั้น ฉันอยากเห็น vias 6 อันที่จัดวางอย่างดีลงในทองแดงแข็ง มากกว่า 20 vias เข้าไปในทางตันด้านความร้อน"
การเพิ่ม Vias ก่อนที่จะขยายพื้นที่ทองแดงอย่างง่าย หากบอร์ดยังมีที่ว่างสำหรับการเทด้านบนที่ใหญ่ขึ้น อาจซื้อ Thermal Margin ได้ราคาถูกกว่าการประมวลผลผ่าน in-pad
การใช้จุดผ่านความร้อนโดยไม่ได้รับทองแดง สนามผ่านที่ตกลงไปในทองแดงที่กระจัดกระจายหรือร่องรอยแคบ ๆ ด้านล่างของชิ้นส่วนไม่สามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ไม่สนใจผลผลิตของการประกอบ จุดผ่านที่เปิดในแผ่นบัดกรีสามารถขโมยการบัดกรีและเอียง QFN หรือลดการควบคุมการเป็นโมฆะ
การใช้สว่านเล็กๆ นอกเหนือจากขอบเขตความสะดวกสบายที่ยอดเยี่ยม อาร์เรย์ที่ดุดันจะช่วยได้ก็ต่อเมื่อซัพพลายเออร์สามารถสร้างได้อย่างสม่ำเสมอและด้วยต้นทุนที่ยอมรับได้
ลืมปัญหาคอขวดด้านความร้อนไปได้เลย บางครั้งจุดที่ร้อนที่สุดคือตัวเหนี่ยวนำ ตัวเชื่อมต่อ สับเปลี่ยน หรืออินเทอร์เฟซของตู้ ไม่ใช่ตัวแผง IC เอง
รายการตรวจสอบเค้าโครงสำหรับ Thermal Vias ภายใต้ส่วนประกอบที่ร้อน
| จุดตรวจ | ดูดีอะไรเช่นนี้ | ธงสีแดง |
|---|---|---|
| เส้นทางความร้อนของแพ็คเกจ | เอกสารข้อมูลแสดงแผ่นหรือกระสุนที่สัมผัสเป็นทางออกระบายความร้อนหลัก | เพิ่มจุดแวะระบายความร้อนแม้ว่าแพ็คเกจส่วนใหญ่จะเย็นลงที่อื่น |
| ทองแดงที่รับ | ชั้นในหรือด้านล่างให้ทองแดงที่มีความหมาย พื้นที่ใต้ส่วน | Vias ลงทองแดงที่เจียระไนโดยมีค่าการแพร่กระจายน้อย |
| ผ่านกระบวนการ | ตัวเลือกแบบเปิด เต็นท์ เสียบปลั๊ก หรือเติม ตรงกับความเสี่ยงในการประกอบ | ไม่มีใครยืนยันการเสร็จสิ้นด้วย fab และแอสเซมเบลอร์ |
| ระยะพิทช์และสว่าน | อาร์เรย์เหมาะกับรูปทรงของแพดและ กฎการเจาะที่ผลิตได้ของซัพพลายเออร์ | อาเรย์มีความหนาแน่นมากจนวงแหวน มาสก์ หรือผลผลิตกลายเป็นส่วนขอบ |
| การโต้ตอบกับพาธปัจจุบัน | ทองแดงรอบๆ อาเรย์ยังคงรองรับกระแสและการไหลกลับอย่างหมดจด | อาเรย์บังคับคอดาวน์ให้แคบลงหรือทางเบี่ยงกระแสไฟฟ้าที่น่าอึดอัดใจ |
| การตรวจสอบความร้อน | ทีมมีจุดเชื่อมต่อเป้าหมาย เคส หรือส่วนต่างอุณหภูมิของบอร์ด | เพิ่มจุดผ่านความร้อนโดยไม่มีเป้าหมายที่วัดหรือประมาณไว้ |
กฎการเริ่มต้นที่แนะนำสำหรับวิศวกรและผู้ซื้อ
- อ่านคำแนะนำในการระบายความร้อนของบรรจุภัณฑ์ก่อน และยืนยันว่าแผ่นที่เปิดโล่งเป็นเส้นทางความร้อนหลักหรือไม่
- ประมาณการการกระจายตัวในพื้นที่ และถามว่าทองแดงด้านบนเพียงอย่างเดียวสามารถแพร่กระจายภายในอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาตได้หรือไม่
- ถ้าไม่ ให้เพิ่มอาร์เรย์เริ่มต้นประมาณ 4-9 vias บนระยะพิทช์ประมาณ 0.8 มม. ถึง 1.2 มม. สำหรับพาวเวอร์แพดขนาดเล็กจำนวนมาก จากนั้นจึงปรับขนาดตามขนาดบรรจุภัณฑ์และกฎ fab
- ตัดสินใจตั้งแต่เนิ่นๆ ว่าแพดจำเป็นต้องเปิด กางเต็นท์ เสียบปลั๊ก หรือเติมไวแอส โดยพิจารณาจากปริมาณการประกอบและเป้าหมายผลผลิต
- ตรวจสอบพื้นที่เดียวกันสำหรับปัญหาคอขวดในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากชิ้นส่วนนั้นรองรับกระแสไฟสูงด้วย
- วัดต้นแบบหนึ่งตัวด้วยเทอร์โมคัปเปิลหรือ IR บวกกับโหลดไฟฟ้า จากนั้นปรับอาร์เรย์ พื้นที่ทองแดง หรือข้อมูลจำเพาะของการประกอบจากข้อมูลจริง
- → เครื่องคำนวณความกว้างการติดตามสำหรับการกำหนดขนาดเส้นทางทองแดง
- → ผ่านเครื่องคำนวณปัจจุบันสำหรับจุดผ่านไฟฟ้าและความร้อนที่ใช้ร่วมกัน
- → เครื่องคำนวณการบรรเทาความร้อนเพื่อการแลกเปลี่ยนความสามารถในการบัดกรี
- → ผ่านคำแนะนำการกำหนดขนาดสำหรับการเลือกการนับ การเจาะ และระยะพิทช์
- → สัญญาณความร้อนผ่าน vs ผ่านคำแนะนำสำหรับจุดประสงค์การออกแบบ
สำหรับโปรแกรม PCB ที่ใช้งานได้จริงส่วนใหญ่ จุดประสงค์ในการค้นหาเบื้องหลังหัวข้อนี้เป็นเรื่องง่าย: เมื่อใดที่อาร์เรย์ผ่านความร้อนภายใต้ องค์ประกอบช่วยได้จริงหรือ? คำตอบก็คือเมื่อบรรจุภัณฑ์ดันความร้อนเข้าไปในแผ่นเล็กๆ บอร์ดสามารถกระจายความร้อนนั้นไปยังทองแดงอื่นๆ และวิธีการประกอบสามารถรองรับโครงสร้าง via โดยไม่กระทบต่อผลผลิต
แท็ก
Thermal ViasThermal PadPCB Thermal DesignPower PCBVia Array
เครื่องมือและทรัพยากรที่เกี่ยวข้อง
เครื่องคำนวณความกว้างลายวงจร
คำนวณความกว้างลายวงจร PCB สำหรับความต้องการกระแสของคุณ
เครื่องคำนวณกระแสเวีย
คำนวณความจุกระแสเวียและประสิทธิภาพความร้อน
เครื่องคำนวณ Thermal Relief
ออกแบบรูปแบบ thermal relief สำหรับการบัดกรี
เครื่องคำนวณความจุกระแส
คำนวณกระแสปลอดภัยสูงสุดสำหรับลายวงจร PCB
เครื่องคำนวณลายวงจร FR4
การคำนวณลายวงจรสำหรับวัสดุ PCB FR4 มาตรฐาน
Robotics Control PCB Design
Servo drives, feedback routing, and safety-focused robot control boards
บทความที่เกี่ยวข้อง
คำถามที่พบบ่อยแบบย่อ
ฉันควรพิจารณาจุดเปลี่ยนความร้อนภายใต้ส่วนประกอบที่ระดับพลังงานใด
จุดเริ่มต้นในทางปฏิบัติคือประมาณ 1W ถึง 2W ของการกระจายในพื้นที่ในบรรจุภัณฑ์ขนาดกะทัดรัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อบรรจุภัณฑ์มีแผ่นสัมผัสและบอร์ดไม่สามารถกระจายความร้อนได้ดีบนชั้นบนสุดเพียงอย่างเดียว ในผลิตภัณฑ์ปิดผนึกหรือการออกแบบที่มีสภาพแวดล้อมสูง เกณฑ์สามารถต่ำกว่าได้
จุดระบายความร้อนจะลดอุณหภูมิส่วนประกอบเสมอหรือไม่?
ไม่ จะช่วยได้เฉพาะเมื่อเชื่อมต่อแหล่งความร้อนเข้ากับพื้นที่ทองแดงที่มีประโยชน์หรือเส้นทางทำความเย็นอื่นเท่านั้น หากด้านล่างมีผู้คนหนาแน่น โดดเดี่ยว หรือปิดกั้นความร้อน จุดแวะเพิ่มเติมอาจเพิ่มค่าใช้จ่ายโดยไม่ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
จุดระบายความร้อนควรเปิด เต็นท์ เสียบปลั๊ก หรือเติม?
สำหรับแผ่นอิเล็กโทรดที่สามารถบัดกรีได้ จุดไวซ์แบบเสียบหรือเติมมักจะปลอดภัยกว่าเนื่องจากลดการดึงลวดบัดกรี Open Vias สามารถใช้กับต้นแบบและแอสเซมบลีที่ไม่สำคัญบางรายการได้ แต่กลับเพิ่มความเสี่ยงด้านผลตอบแทน จุดแวะแบบเต็นท์สามารถช่วยได้ในกรณีงานเบาหากผู้ผลิตสามารถจับหน้ากากได้อย่างน่าเชื่อถือ
ฉันควรเริ่มต้นด้วยจุดระบายความร้อนจำนวนเท่าใดใต้แผ่นร้อน
สำหรับหน่วยงานกำกับดูแลและไดรเวอร์ QFN จำนวนมาก การผ่านครั้งแรกคือ 4 ถึง 9 จุดบนระยะพิทช์ประมาณ 0.8 มม. ถึง 1.2 มม. ภายในพื้นที่แผ่นสัมผัส จากนั้นจึงปรับจากขนาดบรรจุภัณฑ์ ขีดจำกัดการเจาะ พื้นที่ทองแดง และค่าเผื่อความร้อนที่วัดได้
ผู้ซื้อควรยืนยันอะไรกับซัพพลายเออร์ PCB ก่อนอนุมัติจุดระบายความร้อนในแผ่นอิเล็กโทรด
ยืนยันขนาดการเจาะที่เสร็จแล้ว อัตราส่วนภาพ ผ่านกระบวนการเสียบหรือเติม การวางแผน ความสามารถในการประสานหน้ากาก และต้นทุนหรือระยะเวลารอคอยสินค้าเพิ่มเติมใดๆ กลยุทธ์การผ่านความร้อนเป็นส่วนหนึ่งของการตัดสินใจในการผลิต ไม่ใช่แค่การตัดสินใจเกี่ยวกับโครงร่างเท่านั้น
พร้อมคำนวณแล้วหรือยัง?
นำความรู้ของคุณไปใช้จริงด้วยเครื่องคำนวณการออกแบบ PCB ฟรีของเรา