Vias Térmicas no Design de PCB para Gerenciamento de Calor

As vias térmicas são vias especializadas projetadas para transferir calor de uma camada de uma PCB para outra. Essas vias são colocadas próximas a componentes geradores de calor para criar um caminho térmico, ajudando a dissipar o calor e reduzir o risco de superaquecimento. Elas são frequentemente usadas com dissipadores de calor, almofadas térmicas ou planos de cobre para aumentar sua eficácia. São simplesmente furos revestidos (PTHs) localizados sob um componente de fonte de calor montado em superfície em uma placa de circuito impresso (PCB) que permitem a transferência de calor.

As vias estabelecem um caminho de baixa resistência térmica do cobre superior para o lado inferior da PCB. No entanto, apenas uma via não consegue dissipar bem o calor e geralmente requer um conjunto de vias. Em eletrônica e design de PCB, a necessidade de outro tipo de gerenciamento pode tirar o sono das equipes de design. Um bom gerenciamento térmico de um design de PCB evita que a placa aqueça e que as equipes de design explodam sob pressão.

A Necessidade de Gerenciamento Térmico

O gerenciamento térmico eficaz no design de PCB pode prevenir mais de 50% das falhas em sistemas eletrônicos causadas por calor excessivo. O calor em PCBs é tipicamente gerado por componentes de alta potência, como processadores, LEDs e reguladores de potência. As principais considerações incluem minimizar a resistência térmica, influenciada por fatores como área de cobre, espessura da PCB e material. Estratégias na fase inicial de design, como analisar componentes de potência e aproveitar dados do fabricante, garantem melhor dissipação de calor. Técnicas como convecção, radiação e dissipadores de calor ajudam a transferir o calor para fora da placa. O planejamento proativo para gerenciamento térmico é essencial para manter a funcionalidade, reduzir custos e evitar falhas em eletrônicos de alto desempenho.

Como as Vias Térmicas Auxiliam no Gerenciamento de Calor

As vias térmicas criam um caminho para que este calor se afaste desses componentes para áreas com melhores capacidades de dissipação de calor, como um plano de terra ou um dissipador de calor externo. Este mecanismo previne o superaquecimento localizado e garante uma operação consistente. Adicionar vias térmicas pode ocupar espaço valioso na placa com pouco benefício.

Vias térmicas são vias que não transportam corrente entre duas camadas, fornecidas com o propósito de permitir que o calor seja conduzido de uma camada em uma PCB para outra. O objetivo é reduzir a temperatura de uma superfície aquecida em relação a uma superfície mais fria. Em cenários típicos, a superfície aquecida poderia ser uma almofada sob um componente, enquanto a superfície mais fria poderia ser um plano de cobre mais profundo na PCB. Usar vias térmicas sem uma superfície de cobre oposta conectada é ineficaz. A transferência de calor adequada requer uma estrutura interconectada onde o calor flui eficientemente da superfície aquecida para a superfície mais fria dentro do design da PCB.

Eficácia da Via Térmica?

O que significa uma via térmica ser mais ou menos "eficaz"? Uma interpretação é que, à medida que vias térmicas adicionais são adicionadas, a queda de temperatura através das vias térmicas diminui, significando que mais calor é conduzido para longe da superfície aquecida. Julgamos a eficácia das vias térmicas pela redução da temperatura absoluta na almofada, em relação ao ambiente circundante (ou temperatura ambiente).

Mas mesmo isso apresenta um problema. Como enfatizamos sempre que possível, a temperatura é um conceito "pontual". Ou seja, a temperatura varia de ponto a ponto em uma almofada ou ao longo de uma trilha porque todos os fatores que impactam a temperatura também são conceitos pontuais. Da imagem de referência do perfil de calor, como conclusão - Se olharmos para o topo de uma das vias térmicas, está a 50,32°C. Uma via próxima tem uma temperatura de 46,99°C. No centro aproximado da almofada, a temperatura é de 50,57°C. A apenas alguns mm de distância, a temperatura é de 48,91°C. Acreditamos que a temperatura apropriada é a temperatura máxima da almofada.

Perfil de Calor das Vias Térmicas

As vias térmicas reduzem eficientemente a resistência térmica de uma PCB, permitindo que o calor se espalhe mais uniformemente pela placa. No entanto, seu desempenho depende de fatores como diâmetro, número e espessura do revestimento. Por exemplo, múltiplas vias térmicas menores agrupadas sob uma fonte de calor geralmente têm melhor desempenho do que poucas vias maiores.

Considerações de Design para Vias Térmicas

• Tamanho e Número: Vias pequenas e densamente compactadas são mais eficazes para dissipação de calor.
• Revestimento da Via: Vias revestidas com camadas de cobre mais espessas proporcionam melhor condução de calor.
• Almofadas Térmicas: Use vias térmicas em conjunto com almofadas ou planos dissipadores de calor.
• Material de Preenchimento: Use vias preenchidas ou tamponadas para evitar a migração de solda durante a montagem.
• Posicionamento: Coloque as vias térmicas diretamente sob as fontes de calor para máxima eficiência.
• Implicações de Custo: Garanta a eficiência de custos equilibrando a densidade das vias com as restrições de fabricação.

Quando Usar Vias Térmicas:

Vias térmicas são furos muito simples localizados sob uma fonte de calor montada em superfície em uma placa de circuito que permite a transferência de calor. Vias simples ou via-in-pad podem proporcionar uma grande redução na resistência térmica. Você também pode colocar vias preenchidas e tampadas diretamente sob a almofada de solda térmica para aplicações de placa de circuito que tenham uma espessura maior que 0,70 milímetros. Preencher uma via com epóxi e tampá-la com cobre previne o fluxo de solda de qualquer fluxo de solda descontrolado. Além disso, vias preenchidas e tampadas garantem uma soldagem excelente. As vias térmicas são necessárias quando:

• Dispositivos de alta potência são usados, como LEDs ou MOSFETs.
• Os designs de PCB envolvem posicionamento denso de componentes.
• Dissipadores de calor ou almofadas térmicas são incorporados ao design.
• Dispositivos são usados em ambientes de alta temperatura que exigem estratégias avançadas de dissipação de calor.

O número e a posição das vias térmicas têm um impacto direto na resistência térmica. Colocar as vias o mais próximo possível da fonte de calor reduz a resistência térmica, melhorando a dissipação de calor a uma taxa mais rápida. As vias térmicas funcionam com placas de dupla face com cobre conectando as superfícies superior e inferior da PCB ou podem conectar múltiplas camadas de uma PCB.

Como Posicionar o Conjunto de Vias Térmicas?

Embora você possa usar diâmetros diferentes para as vias, o diâmetro final ideal para a melhor condutividade térmica é de 0,30 milímetros. A distância ideal de via a via é de 0,80 mm. Antes da colocação do conjunto de vias, é melhor confirmar primeiro a distância via a via, e as lacunas dependem dos diferentes componentes da fonte de calor. Em seguida, considere onde colocar - as vias são colocadas diretamente abaixo da placa dissipadora de calor na superfície inferior do encapsulamento.

Quando a dissipação de calor das vias diretamente sob a placa dissipadora de calor do CI é insuficiente, vias adicionais podem ser colocadas ao redor da periferia do CI. Essas vias devem ser posicionadas o mais próximo possível do CI. A configuração — diâmetro da via, quantidade, forma e parâmetros relacionados — varia entre as empresas e é frequentemente guiada por regras de design específicas. É importante considerar esses fatores e adaptar o design para otimizar a dissipação de calor de forma eficaz, mantendo tais princípios em mente durante a pesquisa e implementação.

Você pode usar ferramentas de simulação para definir o tamanho e a forma das almofadas térmicas, bem como selecionar os melhores materiais de substrato para lidar com cargas térmicas maiores. Além disso, você pode usar ferramentas de simulação para analisar o desempenho dos componentes e identificar possíveis pontos quentes na placa. As simulações podem mostrar o fluxo de calor da superfície superior da placa e do plano de cobre inferior e ilustrar a relação entre a resistência térmica e o número de vias. Veja nosso artigo sobre outros tipos diferentes de vias usadas em designs de PCB.

Comparação com Outros Métodos de Gerenciamento de Calor

Embora as vias térmicas sejam eficientes, elas são frequentemente usadas em combinação com outras estratégias, como:

• Dissipadores de Calor: Estruturas externas que irradiam calor, mas requerem montagem adicional.
• Almofadas Térmicas: Altamente eficazes, mas aumentam os custos de fabricação.
• Planos de Cobre: Proporcionam espalhamento de calor, mas podem não ser suficientes para aplicações de alta potência isoladamente.

Veja como as técnicas de gerenciamento térmico são empregadas em uma PCB.

Conclusão

As vias térmicas são uma ferramenta crítica no gerenciamento de calor de PCBs, oferecendo uma solução econômica e eficiente para dissipar calor em aplicações de alta potência. Sua implementação aumenta a confiabilidade da PCB, melhora o desempenho e suporta designs compactos. Ao considerar cuidadosamente seu posicionamento, tamanho e quantidade durante o design, os engenheiros podem garantir um desempenho térmico ideal. Em combinação com outras técnicas de gerenciamento térmico, as vias térmicas são indispensáveis na criação de PCBs robustas para os eletrônicos de alto desempenho de hoje.

Ao projetar sua PCB e começar a usar vias térmicas, siga algumas regras rápidas. Para melhorar a dissipação de calor, os contatos dos furos passantes devem ter uma espessura de camada de cobre aumentada. Embora você possa usar diâmetros diferentes para vias térmicas, o diâmetro final ideal para a melhor condutividade térmica é de 0,30 milímetros. A distância ideal de via a via é de 0,80 mm.