Una panoramica completa sui fori termici per PCB

I. Cosa sono le Thermal Vias?

I fori termici sono gruppi di fori specificamente progettati per condurre rapidamente il calore da uno strato di un PCB (di solito lo strato superiore o interno dove si trovano i componenti che generano calore) ad altri strati (in particolare lo strato di rame inferiore o interno). Non sono dissipatori di calore, ma piuttosto efficienti per la conduzione del calore, diffondendolo dalla "fonte di calore" a una superficie di rame più ampia sul PCB, dove viene dissipato per convezione e irraggiamento.

II. Funzioni e scopi principali

1. Riduzione della resistenza termica: i chip (soprattutto quelli con piazzole sul lato inferiore, come QFN, DFN e BGA) presentano un'elevata resistenza termica all'aria. Gli array di via conducono il calore a un'ampia area di lamina di rame sul lato inferiore o sugli strati interni del PCB, riducendo significativamente la resistenza termica totale dalle giunzioni all'ambiente.

2. Distribuzione e dissipazione del calore: Dissipare rapidamente il calore da un punto (fonte di calore) a un'area più ampia previene il surriscaldamento localizzato.

3. Collegamento alle strutture termiche: Conduce il calore verso il retro del PCB, consentendo anche l'installazione di dissipatori di calore esterni, la dissipazione del calore attraverso l'involucro o l'esposizione diretta al flusso d'aria.

III. Considerazioni chiave sulla progettazione

1. Layout e array

● Posizionamento al di sotto della fonte di calore: in genere, i via vengono posizionati direttamente al di sotto dei pad termici dei dispositivi che generano calore (come i chip).

● Formazione a matrice: Utilizzo di una matrice di vie strettamente impacchettate, anziché di singole vie. Comunemente si utilizza una formazione a matrice o a quincunx, per massimizzare la superficie di conduzione del calore.

2. Tramite parametri

● Diametro del foro: in genere si utilizzano fori di piccole dimensioni (ad esempio, da 0,3 mm a 0,5 mm). Diametri più piccoli consentono di realizzare un maggior numero di fori in un'area limitata, aumentando la sezione trasversale complessiva per la conduzione del calore. Tuttavia, è necessario tenere conto delle capacità di processo del produttore di PCB (diametro minimo del foro).

● Spessore del rame sulle pareti del foro: massimizza lo spessore del rame sulle pareti del foro. Specifica al produttore del PCB "spessore di rame" o "placcatura delle pareti del foro più spessa" (ad esempio, 1 oncia o più). Questo è uno dei modi più efficaci per migliorare la conduttività termica.

● Spaziatura: La distanza tra i centri dei fori passanti è generalmente circa il doppio del diametro del foro per garantire anelli di rame sufficienti ed evitare la rottura del foro durante la foratura. Una spaziatura troppo fitta può causare problemi di integrità del segnale (creando cavità risonanti) o difficoltà di produzione.

3. Collegamento degli strati e maschera di saldatura

● Collegare tutti i possibili strati di rame di grandi dimensioni: idealmente, i fori termici dovrebbero collegarsi a tutti i piani di alimentazione/massa interni e alla lamina di rame inferiore. Ciò equivale a collegare la sorgente di calore a una grande "massa termica".

● Aperture per la maschera di saldatura: Sul retro (strato inferiore) del PCB, nell'area corrispondente al via, assicurarsi di creare delle aperture per la maschera di saldatura (ovvero, impedire che la maschera di saldatura copra il rame e i via). Ciò consente:

* Dissipare il calore direttamente nell'aria.

* Facile saldare dissipatori di calore o blocchi metallici aggiuntivi.

* Se necessario, è possibile applicare grasso termico.

4. Collegamento agli strati interni di rame

● I fori passanti devono essere completamente collegati agli strati interni di rame (connessione a flusso continuo), senza utilizzare connessioni trasversali per la dissipazione del calore. Per una corretta dissipazione del calore, è necessario il percorso con la minore resistenza termica.

IV. Considerazioni sulla simulazione termica

Quando si eseguono simulazioni termiche in software EDA (come ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim, ecc.):

● L'array di via deve essere modellato come un blocco termicamente conduttivo equivalente, con una conduttività termica equivalente molto superiore a quella del normale materiale FR-4.

● Il modello deve considerare fattori quali lo spessore del rame della parete del via, il materiale di riempimento (aria o resina) e la densità di riempimento per calcolare la conduttività termica equivalente.

● Lo scopo principale della simulazione è valutare l'impatto di diverse configurazioni di via sulla temperatura di giunzione del chip e sulla distribuzione della temperatura superficiale del PCB.

V. Tecniche avanzate e varianti

1. Via riempite:

● Riempitivo conduttivo: riempito con pasta di rame o resina epossidica conduttiva, offre un'eccellente conduttività termica ma a un costo elevato.

● Materiale di riempimento non conduttivo: riempito con resina e successivamente placcato in superficie (VIPPO). Il suo scopo principale è prevenire la perdita di pasta saldante durante il montaggio del chip sul lato frontale e fornisce anche un certo miglioramento della conduttività termica (migliore dell'aria).

● Riempitivo in resina epossidica termoconduttiva: riempito con uno speciale materiale isolante ad alta conduttività termica, che migliora la conduttività termica garantendo al contempo l'isolamento elettrico.

2. Applicabile a dispositivi ad alta potenza: 

Le vie termiche sono essenziali per i MOSFET, i convertitori DC-DC ad alta corrente, ecc. In genere sono posizionate su un'ampia area al di sotto del dispositivo.

3. Precauzioni:

● Integrità del segnale: una fitta rete di vie può disturbare il piano di riferimento sottostante le linee di segnale ad alta velocità (in particolare microonde e RF), creando discontinuità. È necessaria una valutazione discreta.

● Problemi di saldatura: se i fori passanti si trovano direttamente sui pad per il montaggio superficiale (in particolare sui pad per chip di piccole dimensioni), è essenziale un corretto utilizzo della maschera di saldatura per evitare la perdita di pasta saldante durante la saldatura a rifusione, che porterebbe a giunzioni di saldatura fredde.

VI. Riepilogo del progetto

1. Individuare le fonti di calore: Individuare i principali componenti che generano calore sul PCB.

2. Pianifica i percorsi per la dissipazione del calore: determina quale strato (di solito quello posteriore) deve condurre il calore.

3. Posizionamento di una matrice di vie: Posizionare vie dense e di piccolo diametro sotto i pad termici del dispositivo.

4. Impostare tramite proprietà: specificare il rame ispessito attraverso la parete, collegandolo a tutti gli strati di rame rilevanti.

5. Maschera di saldatura: assicurarsi che le aperture della maschera di saldatura si trovino nelle aree di dissipazione del calore posteriori.

6. Ispezione DFM: Comunicare con il produttore di PCB per confermare la fattibilità e il costo di processi quali il diametro dei fori, lo spessore del rame e il riempimento dei via.

7. Eseguire una simulazione termica: verificare l'efficacia del progetto.

In sintesi, i fori termici nei PCB rappresentano un metodo economico ed efficiente per la dissipazione del calore integrata. L'obiettivo principale è "utilizzare l'intero strato di rame del PCB come dissipatore di calore". La progettazione dei fori è fondamentale per una gestione termica efficace, soprattutto nell'elettronica di potenza e nei dispositivi compatti.

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