Na deskách plošných spojů se běžně vyskytují komponenty, které generují více tepla, než je žádoucí. Běžně se pod tyto součástky tvoří měděné podložky, pod které se umístí průchodky. Tyto průchodky nazýváme „tepelné průchodky“. Podstatou těchto průchodek je to, že odvádí teplo od měděné podložky, a tím pomáhají regulovat teplotu komponenty.
Optimální velikost těchto průchodek je 0,3mm v průměru a měly by být vyplněny mědí. Tento rozměr není nijak teoreticky ani experimentálně ověřen. Jelikož každá průchodka nabízí nepatrné zlepšení teploty, je praktický limit počtu průchodek 50 až 100.
Tepelné průchodky musí vést z podložky „někam“. To „někde“ bývá měděná vrstva umístěná v zásobníku pod měděnou podložkou. Podkladová vrstva sama o sobě snižuje teplotu měděné podložky. Je důležité si uvědomit, které faktory silněji ovlivňují teplotu podložky: tepelná průchodka nebo podkladová, měděná vrstva.
Výše popsané faktory se zkoumají prostřednictvím nástroje pro tepelnou simulaci nazvaného TRM.
(TRM Thermal Risk Management je simulační software, který se zaměřuje na termální analýzu tištěných spojů. Pomocí TRM lze podrobně vypočítat očekávanou teplotu desky plošných spojů na základě proudů a ohřevu komponent a jejich chlazení. Tento nástroj je ideální pro PCB designéry, může pracovat s jednovrstvými i vícevrstvými deskami, tepelnými vodiči atd. TRM je snadno aplikovatelný pro ALTIUM Designer, Eagle, OrCAD, Pulsonix, KiCad a Fusion 360 aj., a nevyžaduje znalost numerických metod nebo CAD systémů. TRM software od ADAM Research je zdarma pro bakalářské a magisterské práce, což je skvělá příležitost pro studenty a výzkumníky.)
Pro příklad vybereme desku z materiálu FR4 o tloušťce 1600 μm a rozměrech 100 x 100 mm². Tepelný komponent s měděnou podložkou bude mít rozměr 25 x 25 mm². Výhoda modelu TRM je v tom, že můžeme na měděnou podložku aplikovat určitý počet wattů, abychom ji zahřáli na místo toho, abychom museli přes podložku pouštět proud. Díky tomu se vyhneme nutnosti počítat různé proudové toky po všech podložkách, průchodkách a rovinách. V tomto konkrétním případě aplikujeme na podložku 2,5 wattu, čímž ohřejeme holou podložku na teplotu 95,7°C – 75,7°C nad teplotu okolí.
Ve studii, z které čerpáme, je teplota měděné podložky nejvyšší uprostřed. Vyšší je také na okrajích. A to z důvodu, že se rohy chladí účinněji než strany měděné podložky a strany se chladí účinněji než střed.
Existuje téměř neomezené množství způsobů, jak můžeme do našeho návrhu vnést tepelné průchodky. Záleží na rozměrech, materiálech, počtu a velikosti tepelných průchodek a tvorbě tepla. Nic jako „typický návrh“ neexistuje.
Zdůrazněme si dva následující body:
Studie pracuje s dvěma konfiguracemi měděných vrstev. „Malá“ vrstva má stejné rozměry jako měděná podložka. Druhá vrstva je takzvaně „velká“ vrstva, která pokrývá celou plochu v některé z vrstev desky. Tyto měděné vrstvy budou umístěny ve dvou hloubkách desky. Jedna hloubka bude 300 μm „blízko“ pod podložkou. Druhá hloubka bude na „vzdálené“ straně desky, téměř 1,6mm pod podložkou.
Tepelné průchodky budou mít průměr 0,3mm. Dále budeme předpokládat, že tepelné průchodky jsou vyplněny pokovenou mědí. Díky tomu můžeme předpokládat, že budeme mít nejlepší možnou tepelnou vodivost průchodek.
V následující části budeme porovnávat tepelně vodivé vlastnosti tepelné průchodky s materiálem desky. Vzorec pro tepelnou vodivost, bez konvekce, sálání a šíření tepla, je následující:
Kde:
Q/t = rychlost přenosu tepla (watty nebo jouly)
K = součinitel tepelné vodivosti (W/mK)
- Přibližně 0,6 pro náš model FR4
- Přibližně 385 pro měď
ΔT = změna teploty (°C = °C)
A = plocha překrytí
d = vzdálenost mezi podložkou a měděnou vrstvou
Rychlosti přenosu tepla pro podložku a pro tepelné průchodky se liší. Jejich velikost můžeme porovnat vytvořením poměru (ΔT a d se ruší):
Tento výsledek nám říká, že tepelná vodivost přes materiál desky je v tomto konkrétním provedení 13,8 krát vyšší než tepelná vodivost tepelné průchodky. Je důležité si uvědomit zásadní věc. Samotná přítomnost podkladové měděné vrstvy snižuje teplotu měděné podložky. Proto se následná tepelná vodivost tepelné průchodky dále snižuje.
Ve studii, ze které čerpáme informace, je graficky znázorněn výsledek simulace viz graf). Na ose X je uveden počet průchodek, na osy Y je pak uvedena teplota podložky. Z tohoto grafu lze vyčíst, že různé kombinace vrstev a tepelných průchodek mají určitý vliv na maximální teplotu desky.
Legenda:
Žádná plocha (No planes): černá linka (černá čára s tečkami a čárkami)
Velká plocha, daleko (Large, far): červená linka (červená plná čára stupňovaná)
Malá plocha, daleko (Small, far): zelené linka (zelená plná čára stupňovaná)
Malá plocha, blízko (Small, near): zelené tečky (zelená čára s tečkami)
Velká plocha, blízko (Large, near): červené tečky (červená čára s tečkami)
Chladič, 20 stupňů (20 Degree Heat sink): modré linka (modrá čára s tečkami a čárkami)
Okolní teplota 20 stupňů (20 Degree Ambient): žlutá linka
Podkladová, měděná vrstva značně snižuje teplotu měděné podložky. Kombinace podložky a vrstvy může zajistit stabilní teplotu, záleží však na velikosti měděné vrstvy.
Například obrázek níže ilustruje tepelné rozložení na spodní vrstvě v případě „malé“ měděné vrstvy na vzdálené straně desky. Teplota na této vrstvě se pohybuje kolem 80 stupňů, ale rychle klesá směrem k okolní teplotě, jakmile se oddálíte od vrstvy. Větší vrstva s větší chladící schopností má tendenci snižovat teplotu podložky.
V obou případech je rozdíl teplot mezi podložkou a vrstvou relativně malý, v našich modelech menší než 10 stupňů C.
Poznámky k tabulce:
Přínos, který tepelné průchodky nabízí, je omezený na velmi úzkou oblast kolem samotné průchodky. Obrázek níže, tento vliv graficky popisuje.
Levá část znázorňuje změnu teploty po přidání velké, měděné vrstvy pod měděnou podložku. Teplota klesla na maximálních 58°C. Po přidání 25 tepelných průchodek, se stejnými parametry desky jako levá část, klesla teplota na maximálních 55°C.
Tepelné otvory přinášejí pouze malý rozdíl teplot, pokud jsou na desce nebo bez nich, a tento rozdíl je lokalizován jen u otvorů samotných.
Tepelné otvory jsou definovány téměř výhradně měděnou plochou, na kterou jsou připojeny. Přítomnost této měděné plochy významně ovlivňuje tepelné rozložení v celé desce plošných spojů. Výsledkem je dramatické snížení rozdílu teploty (ΔT) mezi vyhřátým plošným spojem a měděnou plochou, což vede k minimálnímu přínosu tepelných otvorů ve snižování teploty.
Dále, pokud je plocha měděného povrchu malá, může být stabilizovaná teplota plošného spoje pouze marginálně nižší než bez použití tepelných otvorů. Největší účinek je pozorován při použití relativně velké plochy mědi, umístěné u vzdálenější strany desky.
V závěru lze konstatovat, že jakékoliv tepelné otvory přidané na desku mají tendenci mít pouze "bodový" dopad, což znamená, že jejich efekt je lokalizován pouze na místě, kde jsou fyzicky umístěny. To je důvod, proč mnoho autorů zdůrazňuje, že pro dosažení efektivního chlazení je často nezbytné použít větší množství tepelných otvorů.
využité zdroje:
BROOKS, Douglas Brooks a ADAMS, Johannes. PCB Design Guide to Via and Trace Currents and Temperatures. 2021. Norwood: Artech House, 2021. ISBN 9781630818609.
EDN. Online. 2021, vol. 2021, no. 3. AspenCore Logo 9151 E. Panorama Circle, Centennial, CO 80112 United States: https://aspencore.com/, 2021. Dostupné z: https://www.edn.com/pcb-design-a-close-look-at-facts-and-myths-about-thermal-vias/. [cit. 2024-07-08]
