via papan sirkuit cetak berfungsi sebagai saluran konduktif penting untuk menghubungkan berbagai lapisan sirkuit, dan kemampuan arus berlebihnya secara langsung memengaruhi kinerja dan keandalan seluruh sistem sirkuit. Terutama dalam skenario aplikasi arus tinggi, seperti rangkaian daya, rangkaian penguat daya, dll., jika kemampuan arus berlebih dari via tidak ditangani dengan benar, hal ini dapat menyebabkan panas berlebih lokal, pelepasan sambungan solder, dan bahkan membakar papan sirkuit tercetak, yang menyebabkan kegagalan peralatan.
1, Faktor kunci yang mempengaruhi-kapasitas aliran lubang
Diameter dan jumlah lubang tembus
Diameter lubang-memainkan peran yang menentukan dalam kapasitas alirannya. Menurut prinsip rapat arus, pada kondisi arus yang sama, semakin besar-diameter lubang, semakin besar luas penampang-yang dilalui arus, dan semakin rendah rapat arus. Misalnya, dalam modul daya arus tinggi, menggunakan diameter via 0,3 mm dan diameter via 0,5 mm, ketika melewati arus 10A, via 0,3 mm dengan cepat naik hingga 140 derajat karena kepadatan arus yang tinggi, jauh melebihi kisaran toleransi bahan FR4 (umumnya suhu kerja material FR4 dibatasi hingga di bawah 125 derajat), sehingga menimbulkan risiko kegagalan termal yang serius; Suhu lubang tembus-berukuran 0,5 mm tetap stabil pada 85 derajat , masih dalam kisaran aman. Selain itu, penggunaan beberapa vias secara paralel dapat mendistribusikan arus secara efektif. Dalam kasus arus total 15A, suhu satu saluran 0,5 mm dapat mencapai hingga 130 derajat, mendekati ambang bahaya. Namun, setelah tiga vias 0,5 mm dihubungkan secara paralel, suhu turun menjadi 75 derajat. Ketika jumlah vias 0,5 mm ditingkatkan menjadi lima secara paralel, suhu semakin turun hingga 60 derajat, dan stabilitas sistem meningkat secara signifikan.
Ketebalan pelapisan tembaga
Ketebalan lapisan tembaga pada dinding bagian dalam via menentukan konduktivitasnya. Ketebalan pelapisan tembaga yang umum mencakup spesifikasi 18 μm, 25 μm, dan lebih tinggi. Mengambil diameter yang sama melalui 0,5 mm sebagai contoh, ketika arus 10A dilewatkan, suhu lapisan tembaga 18 μm mencapai 92 derajat, suhu turun menjadi 78 derajat ketika dilapisi dengan tembaga 25 μm, dan suhu lapisan tembaga 50 μm hanya 65 derajat. Hal ini menunjukkan bahwa seiring dengan bertambahnya ketebalan pelapisan tembaga, resistansi via menurun, panas yang dihasilkan saat arus melewatinya berkurang, dan efek pembuangan panas meningkat secara signifikan, sehingga sangat meningkatkan kemampuan arus berlebih dari via.
nomor lapisan papan sirkuit tercetak dan metode koneksi tembaga
Jumlah lapisan papan sirkuit tercetak dan metode sambungan antara via dan lapisan tembaga bagian dalam akan mempengaruhi jalur konduksi termal via. Pada papan sirkuit cetak multi-lapisan, jika via dapat terhubung secara efektif dengan beberapa lapisan tembaga bagian dalam, ini berarti panas dapat dibuang melalui lebih banyak jalur, yang bermanfaat untuk meningkatkan kapasitas arus via.
Langkah-langkah pembuangan panas
Kelengkapan tindakan pembuangan panas juga sangat memengaruhi kemampuan arus berlebih-lubang. Memasang foil tembaga pembuangan panas di dekat via dapat dengan cepat menghilangkan panas yang dihasilkan oleh via dan mengurangi suhu via. Penggunaan hot vias sama pentingnya karena dapat mengarahkan panas ke area pembuangan panas lainnya pada papan sirkuit cetak. Selain itu, mengisi bahan pembuangan panas seperti perekat konduktif termal di sekitar via dapat secara efektif meningkatkan efek pembuangan panas.
kondisi lingkungan
Temperatur dan aliran udara di lingkungan kerja memiliki dampak yang tidak dapat disangkal terhadap kapasitas aliran{0}}lubang. Di lingkungan bersuhu tinggi, kesulitan pembuangan panas dari saluran itu sendiri meningkat, dan kapasitas arus berlebihnya pun menurun. Misalnya, pada suhu sekitar 50 derajat, arus yang diperbolehkan melalui via lebih rendah dibandingkan pada suhu kamar 25 derajat. Aliran udara yang baik, seperti pendinginan udara paksa atau kondisi konveksi alami, dapat mempercepat pembuangan panas permukaan melalui via dan membantu meningkatkan kapasitas aliran via. Pada beberapa perangkat elektronik luar ruangan, karena perubahan suhu yang besar dan kondisi ventilasi yang terbatas, maka perlu merancang vias dengan lebih hati-hati untuk beradaptasi dengan tantangan lingkungan yang keras pada kapasitas arus lebih.
2, Metode evaluasi untuk-kapasitas aliran lubang
Menurut data referensi standar
Saat ini, meskipun tidak ada standar terpadu yang khusus untuk kapasitas arus lebih vias, data daya dukung arus kabel tembaga papan sirkuit cetak dalam standar IPC-2152 dapat digunakan sebagai referensi untuk perkiraan awal kapasitas arus lebih vias. Standar ini memberikan nilai referensi untuk daya dukung arus pada lebar garis dan ketebalan tembaga yang berbeda dalam kondisi kenaikan suhu tertentu. Namun, karena perbedaan antara struktur via dan kabel tembaga biasa, data ini hanya dapat digunakan sebagai referensi kasar, dan perlu disesuaikan dengan situasi spesifik dalam penerapan praktis.
pengujian eksperimental
Pengujian eksperimental adalah metode langsung dan andal untuk mengevaluasi kemampuan arus berlebih melalui lubang. Dengan membangun sirkuit pengujian yang sebenarnya, berbagai ukuran arus diterapkan ke lubang tembus, dan sensor suhu digunakan untuk memantau perubahan suhu lubang tembus secara real time. Misalnya, dalam percobaan, beberapa vias dengan spesifikasi yang sama dipilih dan arus yang berbeda seperti 1A, 3A, 5A dilewatkan, dan suhu yang sesuai dicatat. Nilai arus dimana temperatur mencapai batas toleransi material FR4 merupakan kapasitas arus lebih maksimum via pada kondisi tersebut. Metode ini secara intuitif dapat mencerminkan kinerja vias dalam kerja praktek, namun proses eksperimennya memakan waktu-dan melelahkan, serta dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti lingkungan pengujian dan akurasi peralatan.
Analisis simulasi termal
Dengan menggunakan perangkat lunak simulasi termal profesional, buatlah model termal tiga-dimensi vias papan sirkuit tercetak untuk menyimulasikan distribusi suhu vias pada beban arus yang berbeda. Dalam model simulasi, parameter seperti diameter, ketebalan pelapisan tembaga, jumlah lapisan papan sirkuit cetak, dan kondisi pembuangan panas dapat diatur secara akurat. Dengan mengubah parameter ini, perubahan suhu via dapat diamati untuk mengevaluasi kemampuan arus lebih via. Dengan membandingkan suhu vias berdiameter 0,3mm, 0,5mm, dan 0,8mm di bawah arus 10A melalui simulasi, terlihat jelas bahwa terdapat perbedaan kapasitas arus lebih vias dengan diameter berbeda. Analisis simulasi termal efisien dan dapat mempertimbangkan banyak faktor secara komprehensif, memberikan dasar yang kuat untuk pengoptimalan melalui desain. Namun keakuratan hasil simulasi bergantung pada rasionalitas pengaturan parameter model.
3, Merancang strategi optimasi untuk meningkatkan kapasitas aliran melalui lubang
Optimalkan melalui ukuran dan tata letak
Pada tahap desain, disarankan untuk menggunakan vias berdiameter lebih besar sebanyak mungkin, sebaiknya lebih besar dari atau sama dengan 0,5 mm, untuk mengurangi kepadatan arus dan meminimalkan timbulnya panas. Untuk aplikasi arus tinggi, beberapa vias harus dihubungkan secara paralel. Untuk arus yang lebih besar dari 5A, disarankan untuk menggunakan vias yang lebih besar dari atau sama dengan 3 0.5mm. Pada saat yang sama, rencanakan tata letak vias secara wajar untuk menghindari konsentrasi vias yang berlebihan dan mencegah akumulasi panas yang berlebihan di area setempat. Misalnya, koneksi via antara bidang daya dan bidang bumi, dengan vias yang terdistribusi secara merata, dapat secara efektif menyeimbangkan arus dan meningkatkan kemampuan arus lebih secara keseluruhan.
Meningkatkan ketebalan pelapisan tembaga
Jika proses pembuatan papan sirkuit cetak memungkinkan, meningkatkan ketebalan pelapisan tembaga pada dinding bagian dalam via hingga 25 μm atau lebih dapat secara signifikan mengurangi ketahanan termal via dan meningkatkan kemampuan arus berlebih. Misalnya, pada motherboard server yang memerlukan stabilitas daya sangat tinggi, ketebalan lapisan tembaga pada lubang via ditingkatkan dari 18 μm menjadi 35 μm. Setelah pengujian, suhu lubang tembus berkurang secara signifikan pada beban arus tinggi, dan stabilitas sistem meningkat pesat.
Desain pembuangan panas yang ditingkatkan
Letakkan foil tembaga pembuangan panas di area yang luas di sekeliling via dan pastikan sambungan yang baik antara via dan foil tembaga pembuangan panas, sehingga menyediakan jalur konduksi panas yang efisien. Atur jalur termal secara wajar untuk menyebarkan panas ke area pembuangan panas lainnya pada papan sirkuit cetak. Selain itu, melapisi bahan pembuangan panas seperti cat konduktif termal pada permukaan via semakin meningkatkan efek pembuangan panas. Pada perangkat elektronik berdaya-tinggi, seperti desain papan sirkuit tercetak pada konverter frekuensi industri, tindakan pembuangan panas ini dapat secara efektif meningkatkan keandalan melalui pengoperasian di lingkungan berarus tinggi.
Sesuaikan menurut skenario aplikasi sebenarnya
Pertimbangkan sepenuhnya lingkungan penggunaan papan sirkuit tercetak yang sebenarnya, seperti suhu kerja, kelembapan, kondisi ventilasi, dll., dan optimalkan-desain lubang tembus yang sesuai. Di lingkungan bersuhu tinggi, tingkatkan ukuran atau jumlah lubang tembus secara tepat; Di lingkungan lembab, perkuat tindakan perlindungan melalui lubang untuk mencegah penurunan kapasitas arus lebih akibat korosi.