1. तांबे के क्षेत्र को बढ़ाना और बड़े क्षेत्र में तांबा डालना
मूल सिद्धांत: तांबे की तापीय चालकता लगभग 401 W/(m·K) है, जो FR‑4 सब्सट्रेट (~0.3 W/(m·K)) से हजारों गुना अधिक है। गर्मी पैदा करने वाले घटकों के आसपास तांबे के पन्नी क्षेत्र का विस्तार गर्मी फैलाने के लिए एक बड़ा क्रॉस-सेक्शन बनाता है और जंक्शन-टू-परिवेश थर्मल प्रतिरोध को प्रभावी ढंग से कम करता है।
इंजीनियरिंग के प्रमुख बिंदु:
ताप-सघन आईसी के पावर और ग्राउंड पिन सीधे बड़े तांबे के विमानों से जुड़ेंगे; गर्मी के प्रवाह को बाधित करने वाले संकीर्ण निशानों से बचें।
ऊपर और नीचे दोनों परतों पर तांबा डालें और समकक्ष तांबे की मोटाई दोगुनी करने के लिए उन्हें विया के माध्यम से थर्मल रूप से जोड़े।
बड़ा तांबा डालना हमेशा आनुपातिक लाभ नहीं देता है। थर्मल लाभ चिप आकार से 3-5 गुना कम हो जाता है। ईएमआई और सिग्नल अखंडता के विरुद्ध थर्मल प्रदर्शन को संतुलित करें।
निचले थर्मल पैड वाले बीजीए/क्यूएफएन उपकरणों के लिए, चिप के नीचे सीधे विभाजन के बिना निरंतर तांबे को बनाए रखें।
2. थर्मल वियास ऐरे
मूल सिद्धांत: जब किसी घटक का थर्मल पैड ऊपरी परत पर होता है, जबकि नीचे या भीतरी परतों पर प्रमुख ताप अपव्यय होता है, तो ऊर्ध्वाधर थर्मल प्रतिरोध FR‑4 ढांकता हुआ पर हावी होता है। थर्मल विअस पीसीबी परतों में तांबे के चैनल बनाते हैं, गर्मी को ऊपर की तरफ के पैड से नीचे की परत के तांबे या हीट सिंक में तेजी से स्थानांतरित करते हैं। वे ऊर्ध्वाधर थर्मल प्रतिरोध को कम करने के सबसे प्रभावी तरीकों में से एक का प्रतिनिधित्व करते हैं।
इंजीनियरिंग के प्रमुख बिंदु:
मात्रा एकल-व्यास से अधिक मायने रखती है। एकाधिक छोटे vias एक बड़े vias से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। विशिष्ट कार्यान्वयन: 0.3‑0.5 मिमी व्यास वाले वियास को थर्मल पैड के नीचे 1.0‑1.5 मिमी पिच के साथ सरणियों में व्यवस्थित किया जाता है।
सोल्डर सोल्डर को रोकें: सीधे पैड पर उतरने से सोल्डर खिंच सकता है। बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए, फिलिंग और कॉपर कैपिंग के साथ वीआईपीपीओ (वाया-इन-पैड प्लेटेड-ओवर) को अपनाएं।
विया और विमानों को मिलाकर एक 3‑डी ताप अपव्यय संरचना बनाने के लिए थर्मल विया को ठोस आंतरिक-परत जमीन या पावर विमानों के साथ जोड़ें।
5 डब्ल्यू बिजली खपत से ऊपर के उपकरणों के लिए, कम से कम 9 थर्मल विअस का उपयोग करें और थर्मल सिमुलेशन के माध्यम से परिणामों को मान्य करें।
3. थर्मल पैड और एक्सपोज़्ड पैड (ईपीएडी)
मूल सिद्धांत: क्यूएफएन, डीएफएन और एसओआईसी-ईपी जैसे पैकेजों में नीचे एक खुला धातु डाई पैड होता है जो सीधे चिप डाई से जुड़ा होता है। पीसीबी पर डिज़ाइन किया गया एक मिलान तांबे का पैड गर्मी को केवल घटक लीड के बजाय चिप के पीछे से निकलने की अनुमति देता है।
इंजीनियरिंग के प्रमुख बिंदु:
पीसीबी ईपीएडी आयाम डेटाशीट सिफारिशों का पालन करेगा, आमतौर पर पैकेज एक्सपोज्ड पैड की तुलना में थोड़ा बड़ा (प्रत्येक तरफ 0.1‑0.25 मिमी मार्जिन)।
ईपीएडी को सरणियों के माध्यम से थर्मल के माध्यम से नीचे या भीतरी परत के बड़े तांबे के विमानों तक रूट करें; केवल शीर्ष परत वाला तांबा ही सीमित शीतलन क्षमता प्रदान करता है।
सोल्डर पेस्ट की मात्रा को नियंत्रित करने और घटक को तैरने या ब्रिजिंग से बचाने के लिए ईपीएडी पर कई छोटे उद्घाटन (एक ठोस बड़े एपर्चर के बजाय) के साथ स्टेंसिल डिज़ाइन करें।
अच्छी तरह से कार्यान्वित ईपीएडी 1‑2 डिग्री/डब्ल्यू जितना कम थर्मल प्रतिरोध प्राप्त कर सकता है, जो थर्मल डिजाइन के लिए उच्च लागत-प्रदर्शन प्रदान करता है।
4. मेटल-कोर पीसीबी (एमसीपीसीबी/एल्यूमिनियम-बेस पीसीबी)
मूल सिद्धांत: मानक FR‑4 सबस्ट्रेट्स में खराब तापीय चालकता होती है। एमसीपीसीबी एक पतली तापीय प्रवाहकीय ढांकता हुआ परत (50‑100 μm) के साथ कोर के रूप में एल्यूमीनियम या तांबे का उपयोग करता है। इसकी समग्र तापीय चालकता 1‑8 W/(m·K) तक पहुंचती है, जो FR‑4 से कई गुना अधिक है। घटक पैड से गर्मी ढांकता हुआ परत के माध्यम से धातु कोर तक और फिर बाड़े तक स्थानांतरित होती है।
इंजीनियरिंग के प्रमुख बिंदु:
विशिष्ट अनुप्रयोग: उच्च-शक्ति एलईडी प्रकाश व्यवस्था, ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स, पावर मॉड्यूल। एलईडी जंक्शन तापमान नियंत्रण काफी हद तक एल्यूमीनियम-बेस पीसीबी पर निर्भर करता है।
ढांकता हुआ परत मुख्य तापीय अड़चन है। घटक चयन के दौरान केवल आधार धातु सामग्री पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय ढांकता हुआ तापीय चालकता को प्राथमिकता दें।
FR‑4 से अधिक लागत. प्रवाहकीय धातु कोर के कारण प्रसंस्करण के माध्यम से जटिल की आवश्यकता होती है; मल्टी-लेयर एमसीपीसीबी तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है।
वैकल्पिक: संतुलित लागत और थर्मल प्रदर्शन के लिए एफआर‑4 बोर्ड के अंदर आंशिक तांबे का सिक्का/तांबा जड़ा हुआ।
5. बाहरी हीट सिंक और थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री (टीआईएम)
मूल सिद्धांत: जब पीसीबी-आंतरिक गर्मी अपव्यय सीमा तक पहुंच जाता है, तो गर्मी को बड़े बाहरी हीट सिंक में संचालित किया जाना चाहिए। गर्मी पैदा करने वाले घटक या बैक-साइड पीसीबी कॉपर टीआईएम के माध्यम से हीट सिंक के साथ संपर्क बनाते हैं, सूक्ष्म अंतराल को भरते हैं और हवा को विस्थापित करते हैं (वायु तापीय चालकता ~ 0.026 डब्ल्यू / (एम·के), एक खराब गर्मी कंडक्टर)।
| प्रकार | ऊष्मीय चालकता | मोटाई | अनुप्रयोग परिदृश्य |
|---|---|---|---|
| थर्मल ग्रीस | 2‑8 W/(m·K) | बहुत पतली (<0.1 mm) | आईजीबीटी, सीपीयू; नियंत्रित दबाव के साथ पुनः संयोजन की अनुमति देने वाले अनुप्रयोग |
| थर्मल गैप पैड | 1‑6 W/(m·K) | 0.5‑5 मिमी | ऊंचाई अंतर मुआवजा, विद्युत इन्सुलेशन, सदमे अवशोषण |
| दो-घटक थर्मल चिपकने वाला | 1‑3 W/(m·K) | अनुप्रयोग-निर्भर | ऐसे परिदृश्य जिनमें थर्मल संपर्क और यांत्रिक बॉन्डिंग दोनों की आवश्यकता होती है |
| चरण‑परिवर्तन सामग्री | 3‑6 W/(m·K) | 0.1‑0.25 मिमी | गैप भरने के लिए उच्च तापमान पर पिघलता है, अच्छी दीर्घकालिक विश्वसनीयता |
6. घटक लेआउट अनुकूलन और वायु वाहिनी डिजाइन
मूल सिद्धांत: पिछली पाँच विधियाँ ताप संचालन पर केंद्रित हैं। अंततः गर्मी को संवहन और विकिरण के माध्यम से परिवेश में फैलना चाहिए। उचित लेआउट और एयरफ्लो डिज़ाइन अतिरिक्त बीओएम लागत के बिना सिस्टम थर्मल प्रतिरोध को काफी हद तक कम कर सकता है।
सारांश: थर्मल डिज़ाइन के लिए व्यवस्थित सोच
पीसीबी थर्मल डिज़ाइन केवल व्यक्तिगत तरकीबों को स्टैक करना नहीं है, बल्कि संपूर्ण थर्मल-प्रतिरोध श्रृंखला में व्यवस्थित अनुकूलन है:
चिप जंक्शन → पैकेज → सोल्डर पैड → पीसीबी कॉपर → वियास / मेटल कोर → हीट सिंक → परिवेश वातावरण
प्रत्येक खंड के थर्मल प्रतिरोध को मात्रात्मक मूल्यांकन की आवश्यकता है। अनुशंसित वर्कफ़्लो:
प्रत्येक गर्मी पैदा करने वाले उपकरण के लिए बिजली की खपत और अधिकतम स्वीकार्य जंक्शन तापमान का अनुमान लगाएं।
स्वीकार्य कुल थर्मल प्रतिरोध की गणना करें: θ_JA=(T_Jmax - T_Ambient) / P_max।
पैकेज, पीसीबी और हीट सिंक के लिए थर्मल प्रतिरोध बजट आवंटित करें और बाधाओं की पहचान करें।
उपर्युक्त विधियों को संयोजित करें। ईपीएडी प्लस थर्मल विअस प्लस बड़ी निचली परत वाला तांबा सबसे अधिक लागत प्रभावी आधार रेखा प्रदान करता है। उच्च-शक्ति परिदृश्यों के लिए हीट सिंक या मेटल-कोर बोर्ड जोड़ें।
थर्मल सिमुलेशन (फ्लोथर्म, एएनएसवाईएस आइसपैक इत्यादि) द्वारा मान्य करें और इन्फ्रारेड थर्मल इमेजिंग माप के साथ कैलिब्रेट करें।
