Wie eng sollte ich meine Thermal Vias platzieren?

Ich verwende dieses Dokument von Cree als Referenz. Sie liefern einige Messungen, und aus diesen Messungen mache ich einige ungefähre Annahmen.

Es gibt mehrere Szenarien, die unterschiedliche Via-Größen, PCB-Dicken, Anzahl der Vias usw. berücksichtigen.

Beachten Sie, dass dies Wärmewiderstandsmessungen "Lötpunkt durch Platine" sind , daher glaube ich, dass sie nicht die Wärme berücksichtigen, die durch eine größere Kupferebene abgeführt wird, sondern nur durch die Platine übertragen wird.

Außerdem wird die Größe des Geräts wahrscheinlich die Anzahl der effektiven Durchkontaktierungen stark beeinflussen, da Gehäuse mit Wärmeleitpads dazu beitragen, viel seitliche Wärme abzuleiten, wodurch bewegliche Durchkontaktierungen nützlicher werden, sodass dies hauptsächlich für Geräte mit der Größe von gilt diese LEDs.

Dieses Diagramm würde zeigen, dass für 1,6 mm FR-4 15 ca. 0,4 mm Durchkontaktierungen der Punkt zu sein scheinen, nach dem größere Durchkontaktierungen und/oder mehr von ihnen abnehmende Renditen liefern.

Dieses nächste Diagramm scheint darauf hinzudeuten, dass die Leiterplatte bei einer Leiterbahnbreite von etwa 4 mm (d. h. etwa einem etwa 4 mm dicken Ring um einen Wärmepunkt, siehe Abbildung 12 und 13) viel Kapazität verliert, um Wärme seitlich zu übertragen:

In ihren empfohlenen Layouts für LEDs verwenden sie 0,254-mm-Durchkontaktierungen mit einem Abstand von 0,635 mm.

Wenn Sie 16 0,4-mm-Durchkontaktierungen in einem quadratischen Rechteck von 4 x 4 mm platzieren (größere Abstände würden die seitliche Wärmeübertragung drastisch behindern), würde dies einen maximalen Abstand von 1 mm ergeben. Die minimale Tonhöhe wäre die minimale Inter-Via-Distanz + Ihr gewünschter Spielraum.

Es gibt andere Dokumente (wie dieses von on semi), die die Größe der Leiterplattenebene für unterschiedliche Lagenzahlen abdecken. Sie bieten wohl abnehmende Renditen um etwa 40 mm für Multilayer-Boards. (Ich glaube, es ist weniger für 2- oder einlagige Platten aufgrund der geringeren seitlichen Wärmeübertragungskapazität).

Wie dicht packen Sie Ihre Thermal Vias?

Das oben Gesagte würde ich als grenzwertig übertrieben erachten. Das heißt, wenn die Pads mit Löchern direkt unter dem Wärmeleitpad wären.

• Zu viele Löcher
• Löcher zu nahe beieinander (oder zu groß)
• Löcher zu weit weg

Die Löcher sollten einen Durchmesser von 10 mil und einen Abstand von 25 mil haben. Dadurch bleiben 15 mil Kupfer zwischen den Durchkontaktierungen. Die diagonalen Löcher haben weniger Kupfer als der Durchmesser der Vias. Anscheinend sind die Vias zu groß.

Die mit den thermischen Vias in Kontakt stehenden Vias sind die einzigen wirklich effektiven Vias. Durchkontaktierungen, die weiter als 3 mm vom Wärmeleitpad entfernt sind, sind unwirksam. Das Kupfer nicht unter dem Wärmeleitpad wird am besten für Konvektions- und Strahlungswärmeübertragung verwendet.

Dies ist eigentlich ein schreckliches thermisches Design. Die thermischen Durchkontaktierungen sollten sich auf dem Wärmeleitpad befinden. Die thermische Fläche (das A im Fourierschen Gesetz) ist die Querschnittsfläche der Kupferdicke. PCB-Kupfer ist zu dünn für eine ausreichende Wärmeleitung. Bei diesem Design erfolgt die Wärmeübertragung zuerst seitlich und dann durch die Durchkontaktierungen. Die seitliche Wärmeübertragung ist unnötig, ineffizient und unwirksam.

Thermische Vias Punkte mit sinkenden Renditen Unterm Strich

1. Löcher mit 10-15 mil Durchmesser (10 besser als 15)
2. Lochmitten beabstandet 25 mil voneinander entfernt
3. Lage der Löcher direkt unter dem Wärmeleitpad, nicht weiter als 3 mm vom Wärmeleitpad entfernt.

Es scheint, als wären mehr Durchkontaktierungen besser für die Wärmeableitung

Die abnehmenden Renditen sind erheblich, so dass das Bohren von Löchern bis zu dem Punkt, an dem eine erwachte mechanische Integrität verursacht wird, sinnlos ist.

Also mehr Löcher ist nicht besser , eher nutzlos.

Es gibt zwei Variablen in der Wärmeleitungsformel (Fouriersches Gesetz), bei denen Sie sich noch verbessern können.

1. Fläche: Dicke des Via-Kupfers
2. dx Länge/Abstand: Länge des Vias/Dicke der Leiterplatte

Wenn Sie dies noch nicht getan haben, reduzieren Sie die Dicke der Leiterplatte. Indem Sie von 0,062 Zoll auf 0,031 Zoll gehen, reduzieren Sie den Wärmewiderstand der Durchkontaktierung um 50 %. Ich habe 0,020 "Boards verwendet.

Die Cree-Dokumente zur Optimierung der thermischen Leistung von Leiterplatten, auf die in einer früheren Antwort (@Wesley Lee) verwiesen wird, sind sehr gut. Vor einigen Jahren habe ich viel Zeit mit der Recherche zu Thermal Vias verbracht und viele Studien zum Thema gefunden. Das Cree-Dokument ist eine großartige Zusammenfassung dessen, was ich anderswo gefunden habe.

Auch aus dem Cree-Dokument.
Ich denke, die Anzahl der Löcher ist hier sehr relevant. Es zeigt die abnehmenden Renditen.

Ein Großteil der aktuellen Forschung zu thermischen Durchkontaktierungen wurde für LEDs durchgeführt.

Auch wenn sie Plattform nicht buchstabieren können, gibt es einen guten Abschnitt über Vias.

LUXEON Rebel Platform Montage- und Handhabungsinformationen

Aus obigem Dokument über Lochanzahl und abnehmende Erträge.

OSRAM hat eine nette kleine Einführung in das Thermikmanagement zu Konduktion, Konvektion und Strahlung.
OSRAM App Note: Thermisches Management von Lichtquellen auf Basis von SMD-LEDs

Beispiel von OSRAM

Ich mache Hochleistungs-LED-Streifen und die thermischen Vias haben nicht viel geholfen. Ich kam zu dem Schluss, dass thermische Vias nicht ausreichten, um den Wärmefluss zu leiten.

Was ich tun musste, war, den Kühlkörper oder eine Kupferschiene so nah wie möglich an der Wärmequelle auf der Komponentenseite der Platine zu montieren. Ich habe nie Aluminium ausprobiert, weil ich dort, wo die Stange mit der Leiterplatte verbunden war, blankes Kupfer zurückließ und mir Sorgen um die Elektrolyse machte. Ich habe jetzt (habe diese Woche die erste Leiterplatte bekommen) ENIG anstelle von blankem Kupfer verwendet, also kann ich jetzt Aluminium ausprobieren.

Auf diesem Streifen befinden sich abwechselnd Cree XP- und Lumiled Rebel-Fußabdrücke. Die Pads mit den Löchern sind das Wärmeleitpad. Die Schraubenlöcher für den Kühlkörper sind etwa 0,128 "für die 4-40-Maschinenschraube.

So funktionierten die Thermal Vias:

Unten ist der Kühlkörper auf der Platine montiert. Der Kühlkörper ist hier ein Kupferwasserrohr, durch das kaltes Wasser gepumpt wird.

Dieser Ansatz sollte 100 % Wärmeleitung haben, wobei der Wärmepfad zu 100 % aus Kupfer bestand.

Ich habe die thermischen Durchkontaktierungen an Ort und Stelle gelassen, um die Temperatur des Wärmeleitpads zu messen.

Der Punkt ist, dass die Montage des Kühlkörpers auf der Komponentenseite (wenn möglich) viel besser ist als bei thermischen Durchkontaktierungen.

Beim Testen hatten die Kupferschiene und das Wasserrohr fast die gleiche Temperatur. Die gemessenen Testpunkte sind unten. Eiswasser wurde durch das Kupferrohr gepumpt.

Das Wärmeleitpad ganz links, 10°C höher als das Rohr ganz rechts. Der Punkt zwischen Schraube und Wärmeleitpad lag ein paar Grad höher als das Kupferrohr.

Es hängt davon ab, wohin die Wärme nach den Durchkontaktierungen geht.

Wenn die Rückseite der Platine ein echter Kühlkörper ist, lohnt es sich, immer mehr Durchkontaktierungen durch die Platine hinzuzufügen, um Wärme von der Oberseite abzuleiten. Wenn Sie immer mehr Durchkontaktierungen hinzufügen, wird die Platine mehr wie Metall und weniger wie FR4. Die Plattendicke und -zusammensetzung werden immer noch der limitierende Faktor sein.

Wenn die Vias die Wärme auf die Masseflächen der Platine und von dort seitlich in die Luft verteilen sollen, macht es wenig Sinn, viele Vias hineinzustopfen, da der anschließende Wärmepfad der limitierende Faktor ist.

Ein Quadrat aus 1 Unze/Fuß^2 Kupferfolie ---- 35 Mikrometer dick oder 1,4 Mil dick ----- hat einen Wärmewiderstand von 70 Grad Celsius/Watt.

Für Folienquadrate jeder Größe. 1 Meter im Quadrat oder 10 mm im Quadrat oder 1 mm im Quadrat.

Durchkontaktierungen sind so plattiert, dass sie ungefähr die gleiche Innenwandstärke wie die Folie an beiden Enden der Durchkontaktierung haben, wie aus den Mikroquerschnitten hervorgeht, die ich gesehen habe.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ein Via hat einen einfach zu berechnenden thermischen Widerstand. Ein 0,06 langes Via (bis 1/16" FR-4) mit einem Durchmesser von 0,02" (Umfang von Pi * 0,02 = 0,0628) ist ein QUADRATISCHES Stück plattiertes Kupfer und hat somit einen thermischen Widerstand von 70 Grad Celsius pro Watt.

Jede Durchkontaktierung hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das FR4-Substrat, sodass mehr Durchkontaktierungen offensichtlich einen geringeren Wärmewiderstand ergeben und daher eine bessere Wärmeübertragung bieten. Darüber hinaus hat jede Durchkontaktierung eine Induktivität, sodass viele von ihnen parallel sind, eine bessere elektrische Verbindung des unteren Slugs eines IC, wenn es auch als Erdungsanschluss dient.

Ich würde also schlussfolgern, dass mehr Durchkontaktierungen besser sind, bis zur Fertigungsgrenze/dem Bohrabstand, und kleinere gefüllte Durchkontaktierungen sind auch besser. In Bezug auf das Muster wäre es auch besser, mehr Durchkontaktierungen in Bereichen mit höherer thermischer Belastung zu platzieren, sodass vielleicht nur bestimmte Bereiche eines Designs viele davon haben sollten.