PCB芯片散热焊盘设计以及过孔数量、大小、厚度影响

工作中的电路板有许多发热比较大的元器件,比如MOS管、LED、三极管,尤其在满载的情况下更为严重,散热通孔是众所周知的一种通过电路板表面贴装元件的散热方法。在结构上,板上开有一个通孔,如果该板是单层双面板,则使铜箔连接电路板的顶面和底面,以增加用于散热的面积和体积,降低热阻。在多层板的情况下,热通孔可以连接多个层,或者可以仅限于层的部分连接,但是在所有情况下,基本原理都是相同的。

将贴片元件的散热焊盘贴片安装在PCB上,可以降低热阻。热阻取决于用于散热的PCB上铜箔的面积和厚度,以及板的厚度和材料。本质上,这些材料越宽越厚,散热效果就越大。但铜箔的厚度通常需要符合标准规格,且不能过厚。此外,由于微型化仍然是基本设计要求,因此PCB的面积应依照实际需求设计,实际的铜箔的厚度也不能做的得非常大,因此当PCB超过一定的单面散热面积时,单面电路板散热效果会大打折扣。FR-4的导热系数非常低

解决这些问题的一种措施是使用热通孔,通孔是通过钻孔和镀铜而形成的,与PTH或通孔用于层之间的电气互连的方法相同。 为了有效地使用散热孔,散热孔应靠近加热元件放置。 如下图所示,利用了热平衡的影响,因此很明显将具有较大温差的区域连接起来效果会很不错。
过孔导热

空心过孔与填充过孔影响

空心式通孔相比填充式通孔相比,空心式通孔将导致更高的热阻。对于直径为0.6mm的通孔,使用35 um(1 oz.)镀铜,垂直于热焊盘的面积仅为0.06 mm²,而焊料填充通孔的面积为0.28 mm²,导致热阻为64°C/W,而填充了焊料则为42°C/W,如果完全填充铜则为14°C/W。与填充SnAgCu焊料的通孔相比,实心(铜)填充通孔的能力可进一步降低热阻。

在PCB生产过程中增加电镀厚度会改善通孔的热阻。在上面的示例中,将电镀厚度增加到70 um(2 oz.),会使每个通孔的热阻降低到34°C/W。 但是PCB生产的费用会提高。

除了在PCB生产的电镀过程中创建实心过孔之外,另一种选择是在PCB生产过程中用铜(或其他一些导热材料,例如导电环氧树脂)填充过孔。然而,这增加了PCB的制造的额外步骤从而可能增加板的成本。
空心过孔与实心过孔

如果有空心的大孔且经过回流焊,未填充的通孔可能会被焊料填充。但是,这样会被很多因素干扰,产生焊锡芯吸从而导焊盘连接积变小引起可靠性问题,如果无法可靠接地填充通孔将会影响热导率。图下左显示了回流后未填充通孔的示例,下右显示了芯片下方的焊料空隙的示例(红色表示)可通过X光检查焊接情况。

空隙增加了热界面的热阻。同样,焊料过多可能会导致板子底部填满凸起,从而影响板子和散热器之间的接触面积。
图左:未填充的通孔,图右:焊料空洞(未按比例绘制)

可以通过两个方法限制焊锡芯吸量。一种方法是保持通孔直径小于0.3毫米。对于较小的通孔,通孔内部的液态焊料的表面张力更好地能够抵抗重力作用在焊料上。 如果按照上面的指导原则构造通孔结构,将内部通孔直径保持在0.25mm-0.3mm左右,则可以实现最小的焊料芯吸。这种方法的缺点是较小的开口会导致较高的整体热阻。

限制焊锡芯吸的另一种方法涉及使用阻焊层来限制焊锡从PCB顶部到底部外面,称为底部过孔盖油塞油,使用阻焊层来防止焊料进入或离开导热通孔,具体取决于阻焊层所在的板的面(有的盖不好)。也可以在顶侧通孔帐盖油,将小面积的阻焊膜放在PCB顶侧的热过孔上方,以防止焊料从板的顶侧流入通孔。下图左侧的小孔带有完整的LPI阻焊层,可保护通孔。下图右侧的过孔有一个较大破裂的阻焊孔,这是由于LPI阻焊层的液体性质,并且试图覆盖太大跨度的孔,从而导致漏锡。
图左:完整的LPI阻焊层,图右:破裂的阻焊孔

下图填充不同电导率材料的FR-4通孔的热阻分析结果表示填充了固态铜过孔会导致较低的热阻,而未填充的过孔会提供较高的热阻。填充有导电环氧树脂的过孔的性能仅比未填充的过孔好。
填充有不同电导率材料的FR-4通孔的热阻

PCB孔直径和通孔数量影响

通过上一节说明,实心孔越大热阻就越低,但是我们并不一定做实心镀铜塞孔那些费钱的活,我们还有其他办法解决这个问题,就是增加通孔的数量也显示出相当大的改进。
下图仿真表示了通孔直径对应热阻关系
通孔直径和通孔数量对应热阻
下一种情况考虑了改变散热通孔数量的影响,如下图所示。这些通孔是实心镀铜,直径为10mil,中心间距25mil,选择该尺寸是因为可以使用标准的电镀技术来填充通孔而无需额外的处理。(14个via是LED器件散热焊盘最大面积)
通孔直径和通孔数量对应热阻

下图中显示的结果表明,增加14个以上的通孔数量几乎没有改善(这是垂直于LED散热焊盘的最大可实现密度)
增加14个以上的通孔数量几乎没有改善

鉴于散热通孔的总可用面积通常是固定的,则可使用大量较小的通孔以填充该面积的较大部分。0.3mm孔是比较合理大小。

PCB板厚影响

降低PCB厚度能轻松实现两倍或三倍的热导通孔的导热率
由导热系数公式可知 \frac{Q}{t} = \frac{\kappa A(T_{hot}-T_{clod})}{d}
d:距离

使PCB更薄(距离更小)并增加散热孔的导热系数,降低至0.8mm无需花费任何费用,而您的热导率就会增加一倍。下图仿真结果表明,增加14个以上的通孔数量几乎没有改善(这些通孔是实心镀铜,直径为10mil)。对于FR-4 使用0.8mm厚的比1.6mm厚的PCB热阻降低50%。

FR-4板的热阻值,不同数量的填充铜的热通孔

PCB散热面积影响

下图是FR-4 PCB,有14个直径为0.254-mm的镀铜通孔,其散热铜箔宽度别为(3.3、4.0、6.0、10.0、14.0、20.0mm)
FR-4 PCB有14个散热孔和底部散热宽度不同分别为(3.3、4.0、6.0、10.0、14.0、20.0 mm)

下图仿真结果可见随着底部导热垫宽度的增加,热阻存在一个小的差异,对于厚度为1.6mm的板,将宽度增加到12mm以上几乎没有改善,而对于厚度为0.8mm的板,则该改进在宽度超过16mm时逐渐减小。
FR-4 PCB的热阻,具有14个过孔,顶部和底部散热垫的宽度都不同

热模拟的总结结果

  1. 种模拟的结果表明,要使FR-4板的热阻达到最低,应将电介质厚度减小至0.8mm
  2. 使用大量通孔尽管会降低热阻,但还需要考虑制造板的成本。较大的未填充通孔会导致在焊接过程中通孔部分填充的可能性。较小的实心填充通孔是更好的解决方案。
  3. 最后,由于热扩散阻力,增加额外的通孔并增加铜箔面积的宽度超过特定点会降低效益

建议创建10mil也可0.3mm(省钱)的通孔区域。选择该参数的原因是性能和可制造性的结合。根据几家PCB制造商的说法,与2oz一起使用时,10mil的孔和25mil的间距是合理且可重复的生产选择。在板电镀过程中,可以可靠地将固态铜填充到电镀液中。在PCB孔直径和通孔数量影响最后一部中的仿真显示,在0.8毫米FR-4 PCB上,10密耳通孔可以达到4°C/W(过孔实心铜)

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