Đối với con người, cơ thể quá nóng có thể khiến họ bị ốm. Đối với thiết bị điện tử, các linh kiện sẽ hỏng hóc khi nhiệt độ quá cao. Độ tin cậy của chúng sẽ giảm sút. Vì vậy, việc làm mát bo mạch in một cách hiệu quả là vô cùng quan trọng.
Trong thiết kế nhiệt, bo mạch in (PCB) là bộ phận chính chịu trách nhiệm dẫn nhiệt. Nhiệt trên bo mạch in (PCB) xuất phát từ ba nguồn:
- Nhiệt từ các bộ phận điện tử.
- Nhiệt từ chính bảng mạch in (PCB).
- Nhiệt phát sinh từ các phần khác của hệ thống.
Trong ba yếu tố này, nhiệt độ từ các bộ phận là lớn nhất. Đây là nguồn nhiệt chính. Tiếp theo là nhiệt độ do bo mạch in (PCB) tạo ra. Nhiệt độ từ bên ngoài phụ thuộc vào thiết kế nhiệt tổng thể của hệ thống.
Trong thiết kế PCB thực tế, các kỹ sư phải xem xét nhiều yếu tố liên quan đến làm mát. Những yếu tố này bao gồm vật liệu bảng mạch, lựa chọn linh kiện và bố trí linh kiện. Dưới đây, tôi tập trung vào vấn đề làm mát trong Bố trí mạch in (PCB) sân khấu.
1. Tại sao việc làm mát PCB lại quan trọng?
Tối ưu hóa hệ thống làm mát trong thiết kế PCB là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị và kéo dài tuổi thọ của chúng. Bạn cần xem xét đồng thời các yếu tố như bố trí, đường dẫn, vật liệu và cấu trúc. Dưới đây là các chiến lược làm mát hệ thống.
2. Tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc xếp lớp
Vật liệu nền có độ dẫn nhiệt cao
- Sử dụng vật liệu FR-4 có độ dẫn nhiệt cao (ví dụ ≥ 1.0 W/m·K) hoặc sử dụng bảng mạch có lõi kim loại.
- Các thanh nẹp nhôm có độ dẫn nhiệt khoảng 5 đến 10 W/m·K.
- Đối với các ứng dụng có tần số cao, nên xem xét sử dụng bảng gốm. Al₂O₃ có hệ số dẫn nhiệt khoảng 24 W/m·K. AlN có hệ số dẫn nhiệt khoảng 180 W/m·K.
Chiến lược độ dày đồng
- Sử dụng đồng dày hơn cho các lớp nguồn và đất. Ví dụ, sử dụng đồng có độ dày 2 oz (khoảng 70 μm) hoặc dày hơn.
- Đối với các đường dẫn dòng điện cao, hãy thêm độ dày đồng cục bộ từ 3 đến 6 oz. Sử dụng thiết kế đồng có bậc.
3. Mẹo làm mát bố cục
Quy tắc bố trí phần
- Đặt các bộ phận nóng (MOSFET công suất, bộ điều chỉnh điện áp, IC điều khiển) cách xa nhau. Tránh để nhiệt độ tích tụ tại một điểm.
- Giữ các bộ phận nhạy cảm (tinh thể, bộ chuyển đổi analog-digital) cách xa các nguồn nhiệt ít nhất 5 mm. Nếu cần thiết, thêm các khe cách nhiệt.
- Đặt các linh kiện có công suất cao gần mép bo mạch hoặc gần các vị trí có thể lắp đặt tản nhiệt.
Thiết kế kênh nhiệt
Một ví dụ tốt về đường dẫn nhiệt:
[IC nguồn] → [Mảng lỗ tản nhiệt] → [Lớp đồng bên trong] → [Miếng tản nhiệt cạnh bo mạch] ↘ [Tản nhiệt bên ngoài]
Đường dẫn nhiệt từ IC đến các lỗ vias, sau đó đến lớp đồng bên trong, rồi ra mép bo mạch hoặc đến bộ tản nhiệt bên ngoài.
4. Đổ đồng và cải thiện nhiệt độ đồng
Tối ưu hóa quá trình rót đồng
- Tạo các vùng đồng nguyên chất dưới các bộ phận chịu tải. Đảm bảo diện tích vùng đồng ít nhất gấp ba lần diện tích của bộ phận.
- Sử dụng các hình dạng lưới đồng khi có thể. Lưới giúp giảm ứng suất nhiệt. Kết nối lưới với nhiều lỗ vias.
Cấu trúc đồng đặc biệt
- Sử dụng miếng đệm tản nhiệt trong các lỗ thông qua hoặc miếng đệm khóa để tránh các mối hàn lạnh.
- Đối với các khu vực có công suất rất cao, hãy sử dụng công nghệ chèn đồng. Công nghệ này đặt một khối đồng đặc vào bảng mạch.
5. Thông qua ma trận cho truyền nhiệt
Thiết kế mảng
- Sử dụng lỗ via dưới các nguồn nhiệt. Kích thước lỗ via tiêu chuẩn: 0,3 ± 0,05 mm. Kích thước này cân bằng giữa khả năng truyền nhiệt và khả năng sản xuất.
- Khoảng cách giữa các lỗ via: 1,5 đến 2 lần đường kính của lỗ via. Các mảng nên có kích thước tối thiểu 5 × 5.
- Phương án điền:
- Chi phí trước: Sử dụng lỗ vias được lấp đầy bằng nhựa.
- Để đạt hiệu suất truyền nhiệt tốt nhất: sử dụng các lỗ vi mạch được mạ điện. Điều này có thể tăng hiệu suất truyền nhiệt lên hơn 40%.
Chiến lược kết nối
- Đối với bảng mạch đa lớp, hãy đảm bảo các lỗ vias đi qua tất cả các lớp nguồn và lớp đất.
- Đối với bảng mạch một mặt, hãy thêm các đảo đồng và nhóm lỗ thông trên mặt sau để giúp tản nhiệt hiệu quả.
6. Làm mát bên ngoài và tích hợp cấp bo mạch
Tích hợp hệ thống làm mát cấp bo mạch
- Để lại các lỗ để lắp đặt bộ tản nhiệt. Sử dụng ốc vít M3 với khoảng cách 1 mm.
- Tạo các cửa sổ dưới các bộ phận có điện trong lớp phủ hàn (Mặt nạ hàn (cửa sổ được định nghĩa) để cải thiện giao diện nhiệt.
Lựa chọn vật liệu giao diện
| Loại vật liệu | Độ dẫn nhiệt (W/m·K) | Trường hợp sử dụng |
|---|---|---|
| Keo tản nhiệt | 1 – 5 | Điền vào các khe hở nhỏ (< 0,1 mm) |
| Miếng đệm nhiệt | 3 – 12 | Khoảng cách trung bình (0,2 – 1 mm) |
| Vật liệu thay đổi pha | 5 – 8 | Tự động làm phẳng bề mặt không bằng phẳng |
| Kim loại lỏng | 15 – 80 | Các trường hợp có mật độ công suất rất cao |
Chọn vật liệu giao diện phù hợp với kích thước khe hở và mật độ công suất.
7. Thiết kế làm mát bằng không khí cưỡng bức
Bố trí để phù hợp với luồng không khí
- Định vị các bộ phận chịu nhiệt theo hướng dòng khí. Điều này giúp ngăn chặn các bộ phận phía sau bị quá nhiệt.
- Để lại ít nhất 3 mm khoảng trống xung quanh các phần cao.
- Thêm các ống dẫn khí cấp bảng điều khiển để hướng dẫn luồng không khí và cải thiện đường dẫn làm mát.
8. Mô phỏng nhiệt và kiểm tra
Quy trình mô phỏng
Thực hiện các bước sau:
- Tạo mô hình 3D.
- Đặt điều kiện biên nhiệt.
- Thực hiện phân tích trạng thái ổn định hoặc phân tích trạng thái chuyển tiếp.
- Hiển thị trường nhiệt độ.
- Kiểm tra xem có điểm nóng nào vượt quá 85 °C không.
- Nếu có, tối ưu hóa bố cục và hệ thống làm mát.
- Nếu không, hiển thị báo cáo rủi ro nhiệt.
Các công cụ thông dụng: ANSYS Icepak, FloTHERM XT, Simcenter FLOEFD.
9. Ghi chú quy trình và hướng dẫn sản xuất
Độ tin cậy của quá trình hàn
- Tránh đặt các lỗ thông nhiệt trực tiếp ở chính giữa các pad. Thay vào đó, hãy sử dụng các mẫu thoát nhiệt chéo.
- Đối với hàn sóng, hãy bịt kín hoặc che phủ các lỗ nhiệt trên mặt linh kiện để tránh chảy hàn qua.
Kiểm soát ứng suất nhiệt
- Sử dụng vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg ≥ 170 °C) để đáp ứng nhiệt độ hàn chảy.
- Các vùng đồng lớn phải được cân bằng ở cả hai bên để tránh tình trạng cong vênh của bảng mạch.
10. Các nguyên tắc thiết kế chính
- Nếu mật độ công suất > 0,05 W/cm², bạn phải thực hiện thiết kế nhiệt đặc biệt.
- Giữ nhiệt độ điểm nối linh kiện (T_j) dưới giới hạn 80% được nêu trong bảng dữ liệu.
- Đối với các chip phức tạp như CPU và FPGA, hãy sử dụng mô hình ma trận điện trở nhiệt:
T_j = T_a + ∑(P_i × θ_ji)
Trong đó T_j là nhiệt độ tại điểm nối, T_a là nhiệt độ môi trường, P_i là công suất của nguồn i, và θ_ji là điện trở nhiệt từ nguồn i đến điểm nối j. Lấy giá trị θ_ji từ tài liệu kỹ thuật của chip.
11. Làm mát thông qua chính bo mạch in (PCB)
Các vật liệu nền PCB thông dụng là vải sợi thủy tinh phủ đồng epoxy hoặc vải sợi thủy tinh phủ phenolic. Có một số bo mạch sử dụng bo mạch phủ đồng dựa trên giấy. Các vật liệu này có tính chất điện và gia công tốt, nhưng không dẫn nhiệt hiệu quả. Đối với các bộ phận nóng, bạn không thể dựa vào nhựa PCB để tản nhiệt. Nhiệt phải truyền từ bề mặt bộ phận ra không khí.
Ngày nay, các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn hơn. Các linh kiện được bố trí gần nhau và tạo ra nhiều nhiệt hơn. Diện tích bề mặt của các linh kiện nhỏ không đủ để làm mát chúng. Ngoài ra, nhiều linh kiện hàn bề mặt như QFP và... BGA Dẫn nhiệt vào bo mạch in (PCB). Vì vậy, giải pháp tốt nhất là cải thiện khả năng tản nhiệt của chính bo mạch in. Hãy để bo mạch in dẫn nhiệt hoặc tỏa nhiệt.
Lựa chọn gói sản phẩm
- Khi lập kế hoạch thiết kế nhiệt, hãy đọc thông tin trên bao bì và các thông số dẫn nhiệt của nó.
- Đảm bảo có một đường dẫn nhiệt tốt giữa gói linh kiện và bo mạch.
- Tránh các khe hở không khí trên đường dẫn nhiệt. Nếu có khe hở, hãy lấp đầy chúng bằng vật liệu dẫn nhiệt.
12. Ý tưởng cốt lõi: Giảm thiểu điện trở nhiệt
Thiết kế nhiệt là việc làm cho điện trở nhiệt nhỏ nhất có thể. Sử dụng các chiến lược sau:
- Giảm điện trở dẫn điện: đồng dày hơn, vật liệu nền có khả năng dẫn nhiệt cao.
- Giảm đường dẫn nhiệt: Sử dụng các lỗ vias đi thẳng đến bộ tản nhiệt hoặc các lớp đồng bên trong.
- Tăng diện tích bề mặt: mở rộng các vùng đổ đồng và thêm các cánh tản nhiệt.
- Cải thiện trao đổi nhiệt: sử dụng làm mát bằng không khí cưỡng bức hoặc làm mát bằng chất lỏng.
Trong thiết kế thực tế, bạn cần cân bằng giữa chi phí, không gian và khả năng sản xuất. Hãy thử nhiều phương án và sử dụng mô phỏng cho từng phương án. Trên mẫu thử, hãy để lại một số tùy chọn làm mát trên bo mạch. Ví dụ: lỗ để gắn tản nhiệt, điểm kiểm tra nhiệt điện trở và cổng kết nối quạt. Điều này giúp việc điều chỉnh trở nên dễ dàng hơn.
13. Lưu ý cuối cùng
Thiết kế nhiệt tốt kết hợp cả quy tắc bố trí và lựa chọn bo mạch. Sử dụng vị trí linh kiện cẩn thận, đường đồng rộng, mảng lỗ thông, và vật liệu giao diện tốt. Kiểm tra bằng mô phỏng nhiệt và với mẫu thử thực tế. Giữ nhiệt độ điểm nối linh kiện luôn dưới giới hạn trong datasheet. Lập kế hoạch cho các điểm bảo trì và kiểm tra. Điều này giảm rủi ro và đảm bảo sản phẩm an toàn và đáng tin cậy.
