Переходные отверстия печатной платы служат важными проводящими каналами для соединения различных слоев схем, и их способность перегрузки по току напрямую влияет на производительность и надежность всей схемной системы. Если не обеспечить должным образом защиту от перегрузки по току переходного отверстия, это может вызвать локальный перегрев, отслоение паяного соединения и даже сжечь печатную плату, что приведет к выходу оборудования из строя, особенно в сценариях применения с высокими токами, таких как силовые цепи, схемы усилителей мощности и т. д..
1. Ключевые факторы, влияющие на пропускную способность-через отверстия.
Диаметр и количество сквозных отверстий
Диаметр сквозного-отверстия играет решающую роль в его пропускной способности. Согласно принципу плотности тока, при одинаковых условиях тока, чем больше диаметр сквозного-отверстия, тем больше площадь поперечного-сечения, через которое проходит ток, и тем ниже плотность тока. Например, в сильноточном силовом модуле, использующем переходное отверстие диаметром 0,3 мм и переходное отверстие диаметром 0,5 мм, при прохождении тока 10 А температура сквозного отверстия 0,3 мм быстро возрастает до 140 градусов из-за высокой плотности тока, что намного превышает диапазон допусков материала FR4 (обычно рабочая температура материала FR4 ограничивается ниже 125 градусов), что создает серьезный риск термического отказа; Температура сквозного-отверстия диаметром 0,5 мм остается стабильной на уровне 85 градусов, что все еще находится в пределах безопасного диапазона. Кроме того, параллельное использование нескольких переходных отверстий позволяет эффективно распределять ток. При общем токе 15 А температура одного отверстия диаметром 0,5 мм может достигать 130 градусов, приближаясь к порогу опасности. Однако после параллельного соединения трех переходных отверстий диаметром 0,5 мм температура падает до 75 градусов. Когда количество параллельных переходов 0,5 мм увеличивается до пяти, температура снижается до 60 градусов, и стабильность системы значительно улучшается.
Толщина медного покрытия
Толщина медного покрытия на внутренней стенке переходного отверстия определяет его проводимость. Обычно толщина медного покрытия составляет 18 мкм, 25 мкм и выше. Возьмем, к примеру, тот же диаметр отверстия 0,5 мм. При пропускании тока 10 А температура медного отверстия толщиной 18 мкм достигает 92 градусов, температура падает до 78 градусов при покрытии медью толщиной 25 мкм, а температура медного отверстия толщиной 50 мкм составляет всего 65 градусов. Это указывает на то, что по мере увеличения толщины медного покрытия сопротивление переходного отверстия уменьшается, тепло, выделяемое при прохождении тока, уменьшается, а эффект рассеивания тепла значительно улучшается, тем самым значительно повышая устойчивость переходного отверстия к перегрузке по току.
номер слоя печатной платы и метод медного соединения
Количество слоев печатной платы и метод соединения между переходным отверстием и внутренним медным слоем будут влиять на путь теплопроводности переходного отверстия. В многослойных печатных платах, если переходное отверстие может эффективно соединяться с несколькими внутренними медными слоями, это означает, что тепло может рассеиваться по большему количеству путей, что полезно для улучшения пропускной способности отверстия по току.
Меры по отводу тепла
Полнота мер по отводу тепла также сильно влияет на способность перегрузки по току через-отверстие. Установка медной фольги для отвода тепла рядом с переходным отверстием может быстро рассеять тепло, выделяемое переходным отверстием, и снизить температуру переходного отверстия. Использование горячих переходных отверстий не менее важно, поскольку они могут направлять тепло к другим областям рассеивания тепла на печатной плате. Кроме того, наполнение переходного отверстия материалами, рассеивающими тепло, такими как теплопроводящий клей, может эффективно усилить эффект рассеивания тепла.
условия окружающей среды
Температура и поток воздуха в рабочей среде оказывают неоспоримое влияние на пропускную способность-через отверстия. В условиях высоких температур сложность отвода тепла через переходное отверстие увеличивается, а его сверхтоковая способность соответственно снижается. Например, при температуре окружающей среды 50 градусов ток, пропускаемый через переходное отверстие, ниже, чем при комнатной температуре 25 градусов. Хороший поток воздуха, такой как принудительное воздушное охлаждение или естественная конвекция, может ускорить рассеивание тепла с поверхности через переходное отверстие и помочь улучшить его пропускную способность. В некоторых наружных электронных устройствах из-за больших перепадов температуры и ограниченных условий вентиляции необходимо более тщательно проектировать переходные отверстия, чтобы адаптироваться к требованиям суровых условий по токовой нагрузке.
2. Метод оценки пропускной способности сквозного-отверстия.
По стандартным справочным данным
В настоящее время, хотя единого стандарта конкретно по сверхтоковой способности переходных отверстий не существует, для предварительной оценки сверхтоковой способности переходных отверстий можно использовать данные о токовой допустимой нагрузке медных проводов печатных плат в стандарте IPC-2152. В этом стандарте приведены эталонные значения допустимой нагрузки по току для линий различной ширины и толщины меди при определенных условиях повышения температуры. Однако из-за различий между конструкциями переходных отверстий и обычными медными проводами эти данные можно использовать только в качестве приблизительных справочных данных, и их необходимо корректировать в соответствии с конкретными ситуациями практического применения.
экспериментальное тестирование
Экспериментальное тестирование – это прямой и надежный метод оценки способности к перегрузке по току через-отверстие. При построении реальной схемы тестирования к переходным отверстиям подается ток разной силы, а датчики температуры используются для отслеживания изменений температуры переходных отверстий в реальном времени. Например, в эксперименте выбираются несколько переходных отверстий с одинаковыми характеристиками и пропускаются разные токи, такие как 1 А, 3 А, 5 А соответственно, и регистрируются соответствующие температуры. Значение тока, при котором температура достигает предела допуска материала FR4, представляет собой максимальную перегрузочную способность переходного отверстия в этих условиях. Этот метод может интуитивно отражать эффективность переходных отверстий в практической работе, но экспериментальный процесс требует много времени-и трудоемкий и зависит от таких факторов, как среда тестирования и точность оборудования.
Анализ термического моделирования
С помощью профессионального программного обеспечения для теплового моделирования постройте трехмерную-тепловую модель переходных отверстий печатной платы, чтобы имитировать распределение температуры переходных отверстий при различных токовых нагрузках. В имитационной модели можно точно установить такие параметры, как диаметр переходного отверстия, толщина медного покрытия, количество слоев печатной платы и условия рассеивания тепла. Изменяя эти параметры, можно наблюдать изменения температуры переходного отверстия, чтобы оценить его устойчивость к перегрузке по току. Сравнивая температуру переходных отверстий диаметром 0,3 мм, 0,5 мм и 0,8 мм при токе 10 А посредством моделирования, становится ясно, что существуют различия в перегрузочной способности переходных отверстий разных диаметров. Анализ термического моделирования эффективен и может всесторонне учитывать множество факторов, обеспечивая прочную основу для оптимизации посредством проектирования. Однако точность результатов моделирования зависит от рациональности настройки параметров модели.
3. Стратегия оптимизации конструкции для повышения пропускной способности сквозных отверстий.
Оптимизация за счет размера и макета
На этапе проектирования рекомендуется использовать как можно больше переходных отверстий большего диаметра, предпочтительно больше или равного 0,5 мм, чтобы уменьшить плотность тока и свести к минимуму выделение тепла. Для сильноточных приложений несколько переходных отверстий должны быть подключены параллельно. Для токов, превышающих 5 А, рекомендуется использовать переходные отверстия диаметром более или равными 3 0.5 мм. В то же время разумно планируйте расположение переходов, чтобы избежать чрезмерной концентрации переходных отверстий и чрезмерного накопления тепла в локальных областях. Например, переходное соединение между плоскостью питания и плоскостью заземления с равномерно распределенными переходными отверстиями может эффективно сбалансировать ток и улучшить общую устойчивость к перегрузке по току.
Увеличение толщины медного покрытия
Если технология изготовления печатной платы позволяет, увеличение толщины медного покрытия на внутренней стенке переходного отверстия до 25 мкм и более может существенно снизить термическое сопротивление переходного отверстия и повысить его сверхтоковую способность. Например, в серверной материнской плате, требующей чрезвычайно высокой энергостабильности, толщина медного покрытия переходных отверстий была увеличена с 18 мкм до 35 мкм. После тестирования температура переходных отверстий была значительно снижена при высоких токовых нагрузках, а стабильность системы значительно улучшилась.
Улучшенная конструкция рассеивания тепла
Положите большую площадь медной фольги для рассеивания тепла вокруг переходного отверстия и обеспечьте хорошее соединение между переходным отверстием и медной фольгой для рассеивания тепла, обеспечивая эффективный путь отвода тепла. Разумно расположите тепловые отверстия для рассеивания тепла по другим областям рассеивания тепла на печатной плате. Кроме того, нанесение на поверхность переходного отверстия материалов, рассеивающих тепло, таких как теплопроводящая краска, еще больше усиливает эффект рассеивания тепла. В электронных устройствах большой-мощности, таких как печатные платы промышленных преобразователей частоты, эти меры по рассеиванию тепла могут эффективно повысить надежность работы в условиях сильного тока.
Настройка в соответствии с реальными сценариями применения
Полностью учитывайте условия фактического использования печатной платы, такие как рабочая температура, влажность, условия вентиляции и т. д., и соответствующим образом оптимизируйте конструкцию сквозных-отверстий. В условиях высокой температуры соответствующим образом увеличьте размер или количество переходных отверстий; Во влажной среде усилите меры защиты сквозных отверстий, чтобы предотвратить снижение максимальной токовой нагрузки из-за коррозии.