در بسیاری از مواقع هنگام طراحی PCB، نیاز است گرمای تولیدی برخی قطعات خاص (مانند رگولاتورهای ولتاژ خطی) را پخش کنیم. این قطعات معمولا از نوع Through Hole هستند پس با استفاده از هیت سینک می‌توان حرارت را به طور موثر در سطح آلومینیوم پخش کرده و از قطعه در دمای پایین‌تری استفاده کرد. اما در مورد قطعات SMD معمولا استفاده از هیت‌سینک امکان‌پذیر نیست و باید با سطوح مسی، هیت‌سینک مناسبی در لایه‌های برد ایجاد کرد. اما این روش به اندازه استفاده از هیت سینک آلومینیومی به عنوان یک قطعه جداگانه موثر نیست. در ادامه مقاله به نحوه مدیریت دما با استفاده از via در برد مدار چاپی می‌پردازیم.
با این توضیح، دو گزینه پیش روی طراح است:
- استفاده از حداکثر مس ممکن در برد
- استفاده از هیت سینک مجزا برای جبران‌سازی بیشتر گرما
اکثر طراحان ترجیح می‌دهند برای کاهش هزینه روش اول را انتخاب کنند. هرچند این کار نیاز به طراحی با دقت بیشتری دارد و افزایش ابعاد برد می‌تواند باعث افزایش هزینه شود. همچنین روش اول برخلاف استفاده از هیتسینکهای آلومینیومی (که شامل مراحل بستن پیچ و اعمال خمیر سیلیکون می‌شود)، پروسه ساخت را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد.
امروزه بردهایی که محدودیت فضا دارند می‌توانند شامل دو لایه بالا و پایین شوند که به هم متصل هستند و از این طریق گرما را در سطح وسیع‌تری از مس پخش کنند. همانطور که می‌دانید Via سوراخی در برد مدار چاپی است که لایه‌های مختلف مس را به یکدیگر متصل می‌کند. برای انتقال گرما از لایه بالا به پایین یا سایر لایه‌ها، می‌توان چندین Viaی یکسان در زیر پد حرارتی قطعه‌ی نصب سطحی قرار داد. به این نوع Via که زیر پد قطعات قرار می‌گیرند Viaی گرمایی یا حرارتی (Thermal Via) گفته می‌شود.
نحوه قرارگیری Via حرارتی در برد مدار چاپی
قرارگیری و اندازه Viaهای حرارتی متفاوت بوده و به عواملی مانند نوع قطعات، قوانین طراحی مدار و تجربه طراح بستگی دارد.
اما یک قاعده کلی این است که Viaهای حرارتی باید در نزدیک‌ترین موقعیت به منبع گرما و دقیقا زیر قطعات مولد گرما قرار گیرند. با این حال ممکن است در برخی از موارد صرف‌نظر از محل قرارگیری پدهای قطعات، پخش حرارت خوبی صورت نگیرد. در این حالت Viaها می‌توانند پیرامون قطعه نیز قرار گیرند. در این حالت نیز قاعده برقرار است و Viaها باید در نزدیک‌ترین محل به محیط قطعه قرار گیرند.
رسانایی گرمایی مواد مختلف
مشخصه مهمی که برای محاسبه مقدار گرمای جذب شده توسط هر ماده به کار می‌رود رسانایی گرمایی است. جدول زیر رسانایی گرمایی مواد مختلف را به شما نشان می‌دهد. با کمک این جدول می‌توانیم نحوه قرار گیری Via در برد مدار چاپی را تعیین کنیم.
| جنس ماده | رسانایی گرمایی (W/mK) |
| مس | 388 |
| سرب | 277 |
| آلومینیوم | 205 |
| سیلیکون | 145 |
| قلع SnAgCu | 57.3 |
| قلع 63Sn37Pb | 50 |
| اپوکسی DA | 2.4 |
| برد مدار چاپی FR4 | 0.35 |
از جدول بالا مشخص است که آلومینیوم رسانایی گرمایی کمتری به نسبت مس دارد. اما از آن‌جایی که هیتسینکهای آلومینیومی حجم بسیار بیشتری نسبت به پد مسی دارند اثر خنک‌سازی آن‌ها نیز بیشتر است. اما همانطور که مشاهده می‌کنید اگر از مس به طور موثر استفاده شود، می‌تواند گرمای بسیار بیشتری به نسبت آلومینیوم (در سطح یکسان) دفع کند.
یک روش موثر برای قرار دادن Via، قرار دادن آن‌ها درست داخل پد آی‌سی (یا هر قطعه دیگر) است. با این کار از رسانایی گرمایی برای انتقال گرما استفاده شده و گرما بین چند لایه مس و در نهایت هوا پخش می‌شود. سپس انتقال گرما به هوا با روش همرفت صورت می‌گیرد. توصیه می‌شود قطر داخلی Viaهای گرمایی کمتر در نظر گرفته شود. برای مثال حدود 0.35 میلی‌متر. اگر قطر سوراخ بزرگ باشد ممکن است هنگام لحیم‌کاری به روش reflow، در مکش قلع ایجاد مشکل کند پس توجه به آن ضروری است.
نکات کلیدی که هنگام قرار دادن Viaها باید مورد توجه قرار گیرد
1- پدهای قطعاتی که مس آن‌ها آشکار است به طوری طراحی شده‌اند که گرما را مستقیما از سطح قطعه به مس منتقل کنند. قلع به عنوان هیت‌سینک موثری عمل نمی‌کند چون نازک است و همچنین رسانایی گرمایی کمی دارد.
2- برای پکیج‌هایی که پدهای آشکار دارند حداکثر پخش گرما از Via به لایه پایین PCB، و سپس به هوای محیط صورت می‌گیرد. در نتیجه بزرگ بودن ناحیه مسی لایه زیر، به پخش و دفع حرارت کمک می‌کند.
3- با فاصله قرار دادن قطعاتی که تولید گرما می‌کنند و پخش حرارت با استفاده از Viaهای حرارتی، به توزیع یکسان حرارت در قطعاتی که پکیج‌های متفاوت دارند کمک می‌کند.
4- Viaهای حرارتی تنها منبع پخش گرما در پکیج‌های DFN و QFN هستند. چون در این پکیج‌ها قرارگیری پایه‌ها به نحوی است که مس لایه بالا فضای بسیار کمی دارد. در نتیجه برای استفاده از لایه زیر، تنها راه افزایش رسانایی گرمایی استفاده از Thermal Via است.
در شکل بالا برای قطعات U5 و IC2 از Viaهای حرارتی استفاده شده است. IC2 پکیج QFN flat دارد پس چون در لایه بالایی فضایی برای قرار دادن سطح وسیع مس وجود ندارد، تنها راه استفاده از Via است.
5- ضخامت لایه مسی نیز روی رسانایی گرمایی تاثیرگذار است. مس 2 Oz (دو اونس، یا مس با ضخامت 0.203 میلی متر) می‌تواند گرما را بهتر از مس 1 Oz یا 0.5 Oz انتقال دهد.
در این مقاله با چند مثال و نکته عملی در مورد استفاده از Via در برد مدار چاپی برای انتقال گرما آشنا شدیم. امیدواریم این مطلب برای شما در زمان طراحی و قرار دادن قطعاتی که نیاز به ملاحظات خاص حرارتی دارند مفید باشد.
مثل همیشه منتظر نظرات و تجربیات شما را در مورد پخش حرارت برد و استفاده از Via هستیم، پس نظرات یا سوالات خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.
