Τα vias της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος χρησιμεύουν ως κρίσιμα αγώγιμα κανάλια για τη σύνδεση διαφορετικών στρωμάτων κυκλωμάτων και η ικανότητα υπερέντασής τους επηρεάζει άμεσα την απόδοση και την αξιοπιστία ολόκληρου του συστήματος κυκλώματος. Ειδικά σε σενάρια εφαρμογών υψηλού ρεύματος, όπως κυκλώματα ισχύος, κυκλώματα ενισχυτή ισχύος κ.λπ., εάν η ικανότητα υπερέντασης της διόδου δεν αντιμετωπιστεί σωστά, μπορεί να προκαλέσει τοπική υπερθέρμανση, αποκόλληση της άρθρωσης συγκόλλησης και ακόμη και κάψιμο της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος, οδηγώντας σε βλάβη του εξοπλισμού.
1, Βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν-την ικανότητα ροής της οπής
Διάμετρος και ποσότητα διαμπερών οπών
Η διάμετρος της διαμπερής-οπής παίζει καθοριστικό ρόλο στην ικανότητα ροής της. Σύμφωνα με την αρχή της πυκνότητας ρεύματος, υπό τις ίδιες συνθήκες ρεύματος, όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της διαμπερούς οπής, τόσο μεγαλύτερη είναι η διατομή-από την οποία διέρχεται το ρεύμα και τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητα του ρεύματος. Για παράδειγμα, σε μια μονάδα ισχύος υψηλού ρεύματος, χρησιμοποιώντας διάμετρο 0,3mm μέσω και διάμετρο 0,5mm μέσω, όταν περνάει ρεύμα 10A, το 0,3mm μέσω ανεβαίνει γρήγορα στους 140 μοίρες λόγω της υψηλής πυκνότητας ρεύματος, που υπερβαίνει κατά πολύ το εύρος ανοχής του υλικού FR4 (γενικά η θερμοκρασία λειτουργίας του υλικού FR4 περιορίζεται σε σοβαρό κίνδυνο αστοχίας κάτω από 125 βαθμούς). Η θερμοκρασία της οπής 0,5 χιλιοστών{14}παραμένει σταθερή στους 85 βαθμούς, ακόμα εντός του ασφαλούς εύρους. Επιπλέον, η παράλληλη χρήση πολλαπλών vias μπορεί να κατανείμει αποτελεσματικά το ρεύμα. Στην περίπτωση συνολικού ρεύματος 15Α, η θερμοκρασία ενός μόνο 0,5 mm μέσω μπορεί να φτάσει έως και τους 130 βαθμούς, πλησιάζοντας το όριο κινδύνου. Ωστόσο, μετά την παράλληλη σύνδεση τριών αγωγών 0,5 mm, η θερμοκρασία πέφτει στους 75 βαθμούς. Όταν ο αριθμός των 0,5mm vias αυξάνεται σε πέντε παράλληλα, η θερμοκρασία πέφτει περαιτέρω στους 60 βαθμούς και η σταθερότητα του συστήματος βελτιώνεται σημαντικά.
Πάχος επιμετάλλωσης χαλκού
Το πάχος της επιμετάλλωσης χαλκού στο εσωτερικό τοίχωμα της διόδου καθορίζει την αγωγιμότητά της. Τα κοινά πάχη επιμετάλλωσης χαλκού περιλαμβάνουν 18 μ m, 25 μ m και υψηλότερες προδιαγραφές. Λαμβάνοντας για παράδειγμα την ίδια διάμετρο 0,5 mm, όταν περνάμε ρεύμα 10 Α, η θερμοκρασία του χαλκού 18 μ m φθάνει τους 92 βαθμούς, η θερμοκρασία πέφτει στους 78 βαθμούς όταν επιμεταλλώνεται με 25 μ m χαλκό και η θερμοκρασία του χαλκού 50 μ m είναι μόνο 65 μοίρες. Αυτό υποδεικνύει ότι καθώς αυξάνεται το πάχος της επιμετάλλωσης χαλκού, η αντίσταση της διόδου μειώνεται, η θερμότητα που παράγεται όταν περνάει το ρεύμα μειώνεται και η επίδραση απαγωγής θερμότητας βελτιώνεται σημαντικά, ενισχύοντας έτσι σημαντικά την ικανότητα υπερέντασης της διόδου.
αριθμός στρώματος πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος και μέθοδος σύνδεσης χαλκού
Ο αριθμός των στρωμάτων της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος και η μέθοδος σύνδεσης μεταξύ του via και του εσωτερικού στρώματος χαλκού θα επηρεάσουν τη διαδρομή θερμικής αγωγιμότητας του via. Σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων πολλαπλών-στρώσεων, εάν το via μπορεί να συνδεθεί αποτελεσματικά με πολλαπλά εσωτερικά στρώματα χαλκού, σημαίνει ότι η θερμότητα μπορεί να διαχέεται μέσω περισσότερων διαδρομών, κάτι που είναι ευεργετικό για τη βελτίωση της χωρητικότητας μέσω ρεύματος.
Μέτρα απαγωγής θερμότητας
Η πληρότητα των μέτρων απαγωγής θερμότητας επηρεάζει επίσης σε μεγάλο βαθμό την ικανότητα υπερέντασης μέσω-οπής. Η τοποθέτηση του φύλλου χαλκού απαγωγής θερμότητας κοντά στο via μπορεί να διαλύσει γρήγορα τη θερμότητα που παράγεται από το via και να μειώσει τη θερμοκρασία του via. Η χρήση θερμών μέσων είναι εξίσου σημαντική καθώς μπορούν να κατευθύνουν τη θερμότητα σε άλλες περιοχές απαγωγής θερμότητας της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος. Επιπλέον, η πλήρωση υλικών απαγωγής θερμότητας, όπως η θερμική αγώγιμη κόλλα γύρω από τη ράβδο, μπορεί να ενισχύσει αποτελεσματικά το αποτέλεσμα απαγωγής θερμότητας.
περιβαλλοντικών συνθηκών
Η θερμοκρασία και η ροή του αέρα στο περιβάλλον εργασίας έχουν αναμφισβήτητο αντίκτυπο στη χωρητικότητα ροής μέσω της οπής-. Σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, η δυσκολία απαγωγής θερμότητας του ίδιου του via αυξάνεται και η χωρητικότητά του σε υπερένταση μειώνεται αντίστοιχα. Για παράδειγμα, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 50 μοιρών, το ρεύμα που επιτρέπεται μέσω της διόδου είναι χαμηλότερο από ό,τι σε θερμοκρασία δωματίου 25 μοιρών. Η καλή ροή αέρα, όπως η εξαναγκασμένη ψύξη του αέρα ή οι φυσικές συνθήκες μεταφοράς, μπορούν να επιταχύνουν τη διάχυση της επιφανειακής θερμότητας μέσω της διόδου και να συμβάλουν στη βελτίωση της ικανότητας διοχέτευσης. Σε ορισμένες ηλεκτρονικές συσκευές εξωτερικού χώρου, λόγω των μεγάλων αλλαγών θερμοκρασίας και των περιορισμένων συνθηκών αερισμού, είναι απαραίτητο να σχεδιάζονται πιο προσεκτικά οι διόδους ώστε να προσαρμόζονται στις προκλήσεις των σκληρών περιβαλλόντων λόγω υπερέντασης.
2, Μέθοδος αξιολόγησης για την χωρητικότητα ροής μέσω οπών
Σύμφωνα με τυπικά δεδομένα αναφοράς
Προς το παρόν, αν και δεν υπάρχει ενιαίο πρότυπο ειδικά για τη χωρητικότητα υπερέντασης των vias, τα δεδομένα σχετικά με την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος των χάλκινων καλωδίων πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος στο πρότυπο IPC-2152 μπορούν να αναφερθούν για προκαταρκτική εκτίμηση της χωρητικότητας υπερέντασης των vias. Αυτό το πρότυπο παρέχει τιμές αναφοράς για την τρέχουσα φέρουσα ικανότητα διαφορετικών πλατών γραμμής και πάχους χαλκού υπό συγκεκριμένες συνθήκες ανόδου της θερμοκρασίας. Ωστόσο, λόγω των διαφορών μεταξύ των via structures και των συνηθισμένων χάλκινων συρμάτων, αυτά τα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο ως πρόχειρες αναφορές και πρέπει να προσαρμοστούν σύμφωνα με συγκεκριμένες καταστάσεις σε πρακτικές εφαρμογές.
πειραματική δοκιμή
Η πειραματική δοκιμή είναι μια άμεση και αξιόπιστη μέθοδος για την αξιολόγηση της ικανότητας υπερέντασης μέσω οπών. Κατασκευάζοντας ένα πραγματικό κύκλωμα δοκιμών, εφαρμόζονται διαφορετικά μεγέθη ρεύματος στις διαμπερείς οπές και χρησιμοποιούνται αισθητήρες θερμοκρασίας για την παρακολούθηση των μεταβολών θερμοκρασίας των οπών διέλευσης σε πραγματικό χρόνο. Για παράδειγμα, στο πείραμα επιλέγονται πολλαπλές διόδους των ίδιων προδιαγραφών και διέρχονται διαφορετικά ρεύματα όπως 1Α, 3Α, 5Α αντίστοιχα και καταγράφονται οι αντίστοιχες θερμοκρασίες. Η τρέχουσα τιμή στην οποία η θερμοκρασία φθάνει το όριο ανοχής του υλικού FR4 είναι η μέγιστη χωρητικότητα υπερέντασης του via υπό αυτήν την προϋπόθεση. Αυτή η μέθοδος μπορεί να αντικατοπτρίζει διαισθητικά την απόδοση των vias στην πρακτική εργασία, αλλά η πειραματική διαδικασία είναι- χρονοβόρα και επίπονη και επηρεάζεται από παράγοντες όπως το περιβάλλον δοκιμής και η ακρίβεια του εξοπλισμού.
Ανάλυση θερμικής προσομοίωσης
Χρησιμοποιώντας επαγγελματικό λογισμικό θερμικής προσομοίωσης, κατασκευάστε ένα τρισδιάστατο θερμικό μοντέλο των vias πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος για να προσομοιώσετε την κατανομή θερμοκρασίας των vias κάτω από διαφορετικά φορτία ρεύματος. Στο μοντέλο προσομοίωσης, παράμετροι όπως η διάμετρος, το πάχος της επιμετάλλωσης χαλκού, ο αριθμός στρώματος της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος και οι συνθήκες απαγωγής θερμότητας μπορούν να ρυθμιστούν με ακρίβεια. Με την αλλαγή αυτών των παραμέτρων, μπορούν να παρατηρηθούν οι μεταβολές της θερμοκρασίας μέσω για την αξιολόγηση της ικανότητας υπερέντασης. Συγκρίνοντας τη θερμοκρασία των αγωγών διαμέτρου 0,3 mm, 0,5 mm και 0,8 mm κάτω από ρεύμα 10Α μέσω προσομοίωσης, είναι σαφές ότι υπάρχουν διαφορές στην ικανότητα υπερέντασης των vias με διαφορετικές διαμέτρους. Η ανάλυση θερμικής προσομοίωσης είναι αποτελεσματική και μπορεί να λάβει υπόψη πολλαπλούς παράγοντες, παρέχοντας ισχυρή βάση για βελτιστοποίηση μέσω σχεδίασης. Ωστόσο, η ακρίβεια των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης εξαρτάται από τον ορθολογισμό των ρυθμίσεων παραμέτρων του μοντέλου.
3, Σχεδιασμός στρατηγικής βελτιστοποίησης για την ενίσχυση της ικανότητας ροής των διαμπερών οπών
Βελτιστοποιήστε μέσω μεγέθους και διάταξης
Στη φάση του σχεδιασμού, συνιστάται η χρήση αγωγών μεγαλύτερης διαμέτρου όσο το δυνατόν περισσότερο, κατά προτίμηση μεγαλύτερη ή ίση με 0,5 mm, για μείωση της πυκνότητας ρεύματος και ελαχιστοποίηση της παραγωγής θερμότητας. Για εφαρμογές υψηλού ρεύματος, πολλαπλές vias θα πρέπει να συνδέονται παράλληλα. Για ρεύματα μεγαλύτερα από 5Α, συνιστάται η χρήση αγωγών μεγαλύτερο ή ίσο με 3 0.5mm. Ταυτόχρονα, σχεδιάστε τη διάταξη των vias εύλογα για να αποφύγετε την υπερβολική συγκέντρωση των vias και να αποτρέψετε την υπερβολική συσσώρευση θερμότητας σε τοπικές περιοχές. Για παράδειγμα, η σύνδεση μέσω διαδρόμου μεταξύ του επιπέδου ισχύος και του επιπέδου γείωσης, με ομοιόμορφα κατανεμημένες διόδους, μπορεί να εξισορροπήσει αποτελεσματικά το ρεύμα και να βελτιώσει τη συνολική ικανότητα υπερέντασης.
Αυξήστε το πάχος της επιμετάλλωσης χαλκού
Εάν η διαδικασία κατασκευής της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος το επιτρέπει, η αύξηση του πάχους της επιμετάλλωσης χαλκού στο εσωτερικό τοίχωμα της ράβδου σε 25 μ m ή περισσότερο μπορεί να μειώσει σημαντικά τη θερμική αντίσταση μέσω και να ενισχύσει την ικανότητά της σε υπερένταση. Για παράδειγμα, σε μια μητρική πλακέτα διακομιστή που απαιτεί εξαιρετικά υψηλή σταθερότητα ισχύος, το πάχος της επιμετάλλωσης χαλκού στις οπές διέλευσης αυξήθηκε από 18 μ m σε 35 μ m. Μετά τη δοκιμή, η θερμοκρασία των οπών διέλευσης μειώθηκε σημαντικά κάτω από υψηλά φορτία ρεύματος και η σταθερότητα του συστήματος βελτιώθηκε σημαντικά.
Βελτιωμένος σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας
Τοποθετήστε μια μεγάλη περιοχή φύλλου χαλκού απαγωγής θερμότητας γύρω από τη ράβδο και εξασφαλίστε μια καλή σύνδεση μεταξύ της διόδου και του φύλλου χαλκού απαγωγής θερμότητας, παρέχοντας μια αποτελεσματική διαδρομή αγωγιμότητας για τη θερμότητα. Τακτοποιήστε εύλογα τις θερμικές διόδους για τη διασπορά της θερμότητας σε άλλες περιοχές απαγωγής θερμότητας της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος. Επιπλέον, η επίστρωση υλικών απαγωγής θερμότητας όπως η θερμική αγώγιμη βαφή στην επιφάνεια της ράβδου ενισχύει περαιτέρω το αποτέλεσμα απαγωγής θερμότητας. Σε ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ισχύος, όπως η σχεδίαση της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος των βιομηχανικών μετατροπέων συχνότητας, αυτά τα μέτρα απαγωγής θερμότητας μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά την αξιοπιστία της μέσω λειτουργίας σε περιβάλλοντα υψηλού ρεύματος.
Προσαρμόστε σύμφωνα με τα πραγματικά σενάρια εφαρμογής
Λάβετε υπόψη πλήρως το πραγματικό περιβάλλον χρήσης της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος, όπως η θερμοκρασία λειτουργίας, η υγρασία, οι συνθήκες αερισμού κ.λπ., και βελτιστοποιήστε αναλόγως τη σχεδίαση της διαμπερούς οπής-. Σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, αυξήστε κατάλληλα το μέγεθος ή τον αριθμό των οπών. Σε υγρά περιβάλλοντα, ενισχύστε τα προστατευτικά μέτρα για τις διαμπερείς οπές για να αποτρέψετε τη μείωση της ικανότητας υπερέντασης λόγω διάβρωσης.