Тепловой печатной платы

Когда говорят про тепловой печатной платы, многие сразу думают про медные полигоны под мощными компонентами или встроенные теплоотводы. Но это, если честно, лишь верхушка айсберга. На практике всё упирается в то, как вся эта конструкция ведёт себя в реальном корпусе, под реальной нагрузкой, и как разные слои платы работают — или не работают — вместе. Частая ошибка — считать, что раз смоделировали в какой-нибудь утилите тепловые потоки, то на деле всё будет так же. Жизнь, как обычно, вносит коррективы.

От теории к практике: где начинаются проблемы

Взять, к примеру, многослойные платы для силовой электроники. Рисуешь красивые тепловые виа-массивы под QFN, рассчитываешь тепловое сопротивление... А потом оказывается, что основной перегрев идёт не от кристалла, а от соседнего DC-DC преобразователя, который греет не столько вниз, сколько через паразитные ёмкости накладывает помехи на соседние аналоговые цепи, и они из-за дрейфа параметров начинают сами потреблять больше и греться. Получается каскадный эффект, который в симуляции не всегда поймаешь.

У нас был случай с одной платой управления для промышленного привода. Заказчик жаловался на периодические сбои после нескольких часов работы. Логи и осциллографы ничего криминального не показывали, пока не начали мониторить температуру не процессора, а конкретно области вокруг драйверов мосфетов инфракрасной камерой. Выяснилось, что из-за термоусадки текстолита (был выбран не самый удачный материал) после множества циклов нагрева-остывания микротрещины в пайке тепловых переходных отверстий привели к локальному росту сопротивления и, как следствие, к ещё большему разогреву. Плата вроде целая, а тепловой режим поплыл.

Тут важно понимать разницу между рассеиванием тепла и его распределением. Тепловой печатной платы — это часто про второе. Можно отвести тепло от чипа, но если оно равномерно 'размазалось' по внутренним слоям и греет, условно, кварцевый генератор на другом конце платы — толку мало. Приходится думать не только о теплопроводности, но и о теплоёмкости материалов, о том, как и куда эта энергия в итоге девается.

Материалы и их скрытые нюансы

Все знают про высокотеплопроводные диэлектрики, вроде марок от Rogers или аналогичных. Но их применение — это не панацея и часто неоправданное удорожание. В большинстве случаев достаточно грамотного проектирования на стандартном FR4. Вопрос в деталях: какая именно смола использована в препреге, какая медь — электролитическая или раскатанная? Толщина фольги? Например, для улучшения отвода тепла иногда эффективнее не переходить на дорогой материал, а увеличить толщину меди на внутренних слоях с 35 мкм до 70. Но это сразу влияет на технологичность травления тонких дорожек и на импеданс, если он важен.

Работая с поставщиками, вроде ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии, важно обсуждать не просто 'сделайте плату с хорошим теплоотводом', а конкретные параметры: Tg материала, тепловое сопротивление по толщине (Z-ось), коэффициент теплового расширения (CTE). Их сайт apexpcb-cn.ru, кстати, полезно изучать не только для заказа, но и потому, что у таких интеграторов часто есть накопленный опыт по типовым проблемам. Они видят много проектов и могут на этапе подготовки производства подсказать: 'а вот здесь у других клиентов была такая проблема, давайте проверим вашу разводку'.

Один из самых неприятных моментов — это когда тепловые деформации ломают BGA-компоненты. Кажется, что шарик припоя большой и всё выдержит. Но если CTE материала подложки чипа и CTE материала платы сильно различаются, а температурный градиент по площади платы существенный (например, один угол в корпусе греется от другого блока аппаратуры), то механические напряжения накапливаются. Итог — отрыв шариков, intermittent failures, которые почти не диагностируются. Борются с этим не только подбором материалов, но и правильным расположением компонентов и креплением платы в корпусе.

Измерения и диагностика: что показывают, а что скрывают

Термопара и тепловизор — основные инструменты. Но и они врут, если не понимать, что именно измеряешь. Термопара, приклеенная к радиатору, показывает температуру радиатора, а не p-n перехода. Разница может быть в 20-30 градусов, что критично для ресурса. Тепловизор же видит только поверхность. А что происходит внутри многослойной платы? Там могут быть локальные горячие точки на внутреннем слое питания, которые с поверхности вообще не видны, но которые греют соседние сигнальные линии, повышая риск электромиграции в меди со временем.

Поэтому хорошая практика — закладывать в критические зоны платы контрольные точки для термопар или даже встраивать датчики температуры прямо на плату, например, через выводы какого-нибудь ADC. Это даёт динамическую картину в процессе работы устройства. Мы так делали для телекоммуникационного оборудования, которое должно было работать в некондиционируемых шкафах. Плата сама мониторила температуру в ключевых точках и регулировала скорость вентиляторов или даже throttling процессора. Без такой обратной связи любое пассивное тепловой печатной платы решение было бы избыточным или, наоборот, недостаточным.

Ещё один момент — условия испытаний. Часто тестируют в идеальных условиях, на открытом стенде. А в конечном изделии плата стоит в плотном корпусе, зажатая между другими платами, обдуваемая не с той стороны... И тепловая картина меняется кардинально. Поэтому финальные тепловые испытания нужно проводить максимально близко к реальным условиям эксплуатации. Иногда это означает сборку полноценного макета аппарата.

Взаимодействие с другими аспектами проектирования

Тепловой расчёт нельзя вести в отрыве от EMC и целостности сигналов. Тот же самый медный полигон, который отлично отводит тепло, может стать антенной для излучения помех или принимать наводки. Или, наоборот, экранирующая стенка, поставленная для EMI, может перекрыть естественную конвекцию и создать парниковый эффект для группы компонентов. Проектировщик постоянно находится в поиске компромисса.

Особенно это касается высокоскоростных цифровых плат. Там важна постоянная диэлектрическая проницаемость (Dk). А она, чёрт побери, зависит от температуры! Нагрелся материал — Dk поплыл — изменился импеданс трассы — появились отражения и искажения сигнала. Получается, тепловая стабильность напрямую влияет на электрические характеристики. При проектировании для таких случаев нужно смотреть графики зависимости Dk от температуры для выбранного материала ламината.

Здесь как раз видна ценность компаний, которые занимаются полным циклом — от проектирования до производства и тестирования. Когда одна структура, как ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии, контролирует несколько предприятий в цепочке, проще обеспечить эту сквозную оптимизацию. Они могут на ранней стадии, ещё в CAD, внести правки, зная возможности и ограничения своего производственного оборудования, и предложить альтернативные материалы из своего же портфеля, чтобы соблюсти и тепловые, и электрические требования.

Выводы, которые не являются окончательными

Так что же такое эффективное управление теплом в печатных платах? Это не применение какого-то одного волшебного приёма. Это системный подход, который начинается с выбора архитектуры устройства и расположения самых греющихся узлов, продолжается скрупулёзным выбором материалов и проектированием топологии с учётом реальных, а не идеальных тепловых путей, и заканчивается адекватными испытаниями в условиях, приближенных к боевым.

Часто самое простое решение — дать больше пространства и воздуха — оказывается самым дорогим в конечном изделии. Поэтому искусство в том, чтобы добиться нужной надёжности в жёстких рамках по габаритам, стоимости и массе. И здесь нет учебника с готовыми ответами. Есть накопленный опыт, иногда горький, в виде сгоревших прототипов, и понимание физики процессов.

Главный вывод, который я для себя сделал: тепловой печатной платы — это всегда диалог. Диалог между электрическими и thermal-инженерами, между проектировщиком и технологом производства, между расчётными моделями и результатами измерений. И игнорировать любую из сторон этого диалога — значит заранее обрекать проект на проблемы, которые проявятся там, где их исправлять будет максимально дорого и сложно.