Насколько близко я должен располагать тепловые переходные отверстия?

Я использую этот документ Cree в качестве ссылки. Они предоставляют некоторые измерения, и на основе этих измерений я делаю некоторые приблизительные предположения.

Он имеет несколько сценариев с учетом различных размеров переходных отверстий, толщины печатной платы, количества переходных отверстий и т. д.

Обратите внимание, что это измерения теплового сопротивления «точка пайки через плату» , поэтому я считаю, что они не учитывают тепло, рассеиваемое через большую медную плоскость, а просто передаются через плату.

Кроме того, размер устройства, вероятно, во многом повлияет на количество эффективных переходных отверстий, поскольку корпуса с термопрокладками способствуют боковому отводу тепла, делая переходные отверстия более полезными, так что это в основном справедливо для устройств размером около эти светодиоды.

Эта диаграмма показывает, что для 1,6 мм FR-4 15 переходных отверстий ~0,4 мм представляют собой точку, после которой более крупные переходные отверстия и/или большее их количество дают убывающую отдачу.

Следующая диаграмма показывает, что при ширине дорожки около 4 мм (т. е. что-то вроде кольца толщиной ~ 4 мм вокруг точки нагрева, см. рис. 12 и 13) печатная плата теряет большую часть способности передавать тепло в поперечном направлении:

В своих рекомендуемых схемах для светодиодов они используют переходные отверстия диаметром 0,254 мм, расположенные на расстоянии 0,635 мм друг от друга.

Если вы поместите 16 переходных отверстий 0,4 мм в квадратный прямоугольник 4x4 мм (большие расстояния резко препятствуют поперечному теплообмену), это даст максимальный шаг 1 мм. Минимальный шаг будет равен минимальному промежуточному расстоянию + желаемая маржа.

Существуют и другие документы (например, этот , написанный on semi), которые охватывают размер плоскости печатной платы для различного количества слоев. Возможно, они обеспечивают убывающую отдачу около ~ 40 мм для многослойных плат. (Я считаю, что это меньше для двухслойных или однослойных плат из-за более низкой боковой теплопередачи).

Насколько плотно вы упаковываете свои тепловые переходные отверстия?

Вышеизложенное я бы посчитал граничным излишеством. То есть, если бы прокладки с отверстиями находились непосредственно под термопрокладкой.

• Слишком много отверстий
• Отверстия слишком близко друг к другу (или слишком большие)
• Отверстия слишком далеко

Отверстия должны быть 10 мил в диаметре и расположены на расстоянии 25 мил друг от друга. Это оставляет 15 милов меди между переходными отверстиями. Диагональные отверстия содержат меньше меди, чем диаметр переходных отверстий. Похоже, переходные отверстия могут быть слишком большими.

Отверстия, находящиеся в контакте с тепловыми отверстиями, являются единственными действительно эффективными отверстиями. Переходы дальше 3 мм от термопрокладки неэффективны. Медь, не находящаяся под термопрокладкой, лучше всего использовать для конвективного и радиационного теплообмена.

На самом деле это ужасная тепловая конструкция. Отверстия для термоперехода должны быть на термопрокладке. Тепловая площадь (A в законе Фурье) представляет собой площадь поперечного сечения толщины меди. Медь печатной платы слишком тонкая для достаточной теплопроводности. В этой конструкции теплопередача сначала боковая, а затем через сквозные отверстия. Боковая теплопередача не нужна, неэффективна и неэффективна.

Точки убывающей доходности тепловых переходов

1. Отверстия диаметром 10-15 мил (10 лучше, чем 15)
2. центры отверстий расположены на расстоянии 25 мил друг от друга
3. Расположение отверстий непосредственно под термопрокладкой, не дальше 3 мм от термопрокладки.

похоже, что чем больше переходных отверстий, тем лучше рассеивание тепла

Убывающая отдача значительна, поэтому сверление отверстий до уровня пробуждения механической целостности бессмысленно.

Так что больше дыр не лучше , скорее бесполезно.

В формуле теплопроводности (закон Фурье) есть две переменные, которые можно улучшить.

1. Площадь: толщина медного переходного отверстия
2. dx Длина/Расстояние: Длина переходного отверстия/толщина печатной платы

Если вы этого не сделали, уменьшите толщину печатной платы. Переходя с 0,062 дюйма на 0,031 дюйма, вы снижаете тепловое сопротивление на 50%. Я использовал доски 0,020".

Документы Cree Optimizing PCB Thermal Performance, упомянутые в предыдущем ответе (@Wesley Lee), очень хороши. Несколько лет назад я потратил много времени на изучение тепловых отверстий и нашел много исследований по этой теме. Документ Cree — отличное резюме того, что я нашел в другом месте.

Также из документа Cree.
Я думаю, что количество отверстий здесь очень важно. Он показывает убывающую отдачу.

Большая часть текущих исследований тепловых переходных отверстий была проведена для светодиодов.

Несмотря на то, что они не могут написать слово «платформа», есть хороший раздел, посвященный переходным отверстиям.

Платформа LUXEON Rebel Информация по сборке и обращению

Из приведенного выше документа о количестве отверстий и убывающей отдаче.

У OSRAM есть неплохой учебник по управлению теплопроводностью, посвященный проводимости, конвекции и излучению.
Примечание к приложению OSRAM: терморегулирование источников света на основе SMD-светодиодов

Пример от OSRAM

Я делаю светодиодные ленты высокой мощности, и тепловые переходы не очень помогли. Я пришел к выводу, что тепловых переходов недостаточно для проведения теплового потока.

Что мне нужно было сделать, так это прикрепить радиатор или медную пластину к компонентной стороне платы как можно ближе к источнику тепла. Я никогда не пробовал алюминий, потому что оставлял голую медь там, где шина соединяется с печатной платой, и опасался электролиза. Теперь я (получил первую печатную плату на этой неделе) использую ENIG, а не голую медь, поэтому теперь я могу попробовать алюминий.

На этой полосе чередуются следы Cree XP и Lumiled Rebel. Прокладки с отверстиями - это термопрокладка. Отверстия для радиатора составляют около 0,128 дюйма для крепежного винта 4-40.

Вот как хорошо работали тепловые переходы:

Ниже радиатор, установленный на печатной плате. Радиатор здесь представляет собой медную водопроводную трубу, по которой прокачивается холодная вода.

Этот подход должен был иметь 100% теплопроводность, когда тепловой путь был на 100% медным.

Я оставил тепловые отверстия на месте, чтобы измерить температуру термопрокладки.

Дело в том, что установка радиатора на стороне компонентов (если это возможно) намного лучше, чем тепловые отверстия.

При испытаниях медный стержень и водопроводная труба имели почти одинаковую температуру. Измеренные контрольные точки приведены ниже. Ледяная вода подавалась по медной трубе.

Термопрокладка, крайняя левая точка, на 10°C выше, чем крайняя правая труба. Точка между винтом и термопрокладкой была на несколько градусов выше медной трубы.

Это зависит от того, куда уходит тепло после переходных отверстий.

Если задняя сторона платы является настоящим радиатором, то стоит продолжать добавлять все больше и больше переходных отверстий через плату для отвода тепла с верхней стороны. По мере того, как вы добавляете все больше и больше переходных отверстий, плата становится все более похожей на металл, а не на FR4. Толщина и состав доски по-прежнему будут ограничивающим фактором.

Если переходные отверстия должны распределять тепло по заземляющим слоям платы, а оттуда в стороны и в воздух, то нет особого смысла запихивать множество переходных отверстий, так как ограничивающим фактором является последующий тепловой путь.

Квадрат медной фольги весом 1 унция/фут^2 ---- толщиной 35 микрон или толщиной 1,4 мила ----- имеет тепловое сопротивление 70 градусов по Цельсию/ватт.

Для квадрата фольги любого размера. 1 квадратный метр, или квадрат 10 мм, или квадрат 1 мм.

Переходные отверстия имеют покрытие, имеющее примерно такую ​​же толщину внутренних стенок, что и фольга на обоих концах переходных отверстий, судя по микросечениям, которые я видел.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Переходное отверстие имеет легко вычисляемое тепловое сопротивление. Переходное отверстие длиной 0,06 дюйма (через 1/16 дюйма FR-4) диаметром 0,02 дюйма (длина окружности Pi * 0,02 = 0,0628) представляет собой КВАДРАТНЫЙ кусок меди с покрытием и, таким образом, имеет тепловое сопротивление 70 градусов по Цельсию на ватт.

Каждое сквозное отверстие имеет лучшую теплопроводность, чем подложка FR4, поэтому большее число сквозных отверстий, очевидно, дает более низкое тепловое сопротивление и, следовательно, обеспечивает лучшую теплопередачу. Более того, каждое сквозное отверстие имеет индуктивность, поэтому их параллельное соединение обеспечивает лучшее электрическое соединение нижней части микросхемы, если она также служит в качестве заземляющего соединителя.

Таким образом, я бы сделал вывод, что чем больше переходных отверстий, тем лучше, вплоть до производственного ограничения/расстояния между отверстиями, и меньшие заполненные переходные отверстия также лучше. Что касается шаблона, было бы лучше разместить больше переходных отверстий в областях с более высоким тепловым напряжением, поэтому, возможно, только в определенных областях конструкции их должно быть много.