Via tản nhiệt là via chuyên dụng được thiết kế để truyền nhiệt từ lớp này sang lớp khác của mạch in. Các via này được đặt gần các thành phần sinh nhiệt để tạo ra đường dẫn nhiệt, giúp tản nhiệt và giảm nguy cơ quá nhiệt. Chúng thường được sử dụng kết hợp với bộ tản nhiệt, miếng tản nhiệt hoặc mặt đồng để tăng hiệu quả. Chúng chỉ đơn giản là các lỗ mạ (PTH) nằm bên dưới linh kiện dán tỏa nhiều nhiệt trên mạch in cho phép truyền nhiệt.
Các via tạo nên một đường truyền nhiệt tốt từ mặt trên xuống mặt dưới của mạch in. Tuy vậy, nếu chỉ có một via thì sẽ không thể tản nhiệt tốt, thông thường sẽ cần một mảng nhiều via. Trong mạch in, thiết kế quản lý nhiệt tốt sẽ giúp cho mạch không bị nóng quá mức và có thể hoạt động đúng thiết kế.
Tại sao lại cần quản lý nhiệt?
Quản lý nhiệt hiệu quả trong thiết kế mạch có thể ngăn chặn hơn 50% lỗi hệ thống điện tử do quá nhiệt. Nhiệt lượng trong mạch in thường được tạo ra bởi các linh kiện công suất cao, chẳng hạn như bộ xử lý, đèn LED và IC nguồn. Do vậy cần tăng khả năng truyền nhiệt – yếu tố chịu ảnh hưởng bởi diện tích đồng, độ dày mạch in và vật liệu.
Các phương pháp hỗ trợ tản nhiệt có thể được áp dụng ngay từ khi bắt đầu giai đoạn thiết kế, chẳng hạn như phân tích các linh kiện công suất và tận dụng dữ liệu của nhà sản xuất, đảm bảo tản nhiệt tốt hơn. Các kỹ thuật như đối lưu, bức xạ và miếng tản nhiệt giúp truyền nhiệt từ bo mạch. Việc lập kế hoạch chủ động để quản lý nhiệt là điều cần thiết để duy trì chức năng, giảm chi phí và tránh hỏng hóc trong các thiết bị điện tử hiệu suất cao.
Nguyên lý hoạt động
Các lỗ via tản nhiệt tạo ra đường dẫn nhiệt di chuyển từ các thành phần tỏa nhiều nhiệt đến các khu vực có khả năng tản nhiệt tốt hơn, chẳng hạn như mặt phẳng đất hoặc bộ tản nhiệt rời. Cơ chế này ngăn ngừa quá nhiệt cục bộ và đảm bảo hoạt động ổn định.
Các lỗ via tản nhiệt là các lỗ thông không dẫn dòng giữa hai lớp được sử dụng với mục đích cho phép nhiệt truyền từ lớp này sang lớp khác trong mạch in. Thông thường, bề mặt cần tản nhiệt có thể là một pad dưới gầm của linh kiện dán, trong khi bề mặt mát hơn có thể là một mặt phẳng đồng ở lớp đối diện mạch in. Nếu sử dụng các via tản nhiệt mà không được dẫn đến một mặt đồng ở phía đối diện thì sẽ không mang lại hiệu quả tản nhiệt cao. Quá trình tản nhiệt đòi hỏi một sự kết nối chắc chắn, khivcg nhiệt lượng được truyền hiệu quả từ bề mặt nóng hơn sang mặt mát hơn của mạch in.
Sử dụng via tản nhiệt có hiệu quả không?
Khi thêm các via tản nhiệt, nhiệt độ chênh lệch giữa hai đầu via sẽ giảm, nghĩa là có nhiều nhiệt lượng được dẫn ra khỏi bề mặt cần được tản nhiệt hơn (nếu sự chênh lệch nhiệt độ lớn, nghĩa là sự tản nhiệt không hiệu quả khi bề mặt cần tản nhiệt rất nóng, trong khi mặt đối diện vẫn còn rất mát). Chúng ta có thể so sánh chênh lệch nhiệt độ giữa pad tản nhiệt của linh kiện với môi trường xung quanh để đánh giá độ hiệu quả của via tản nhiệt.
Có một vấn đề trong việc xác định sự chênh lệch nhiệt độ kể trên. Nhiệt độ là một khái niệm theo “điểm”. Nghĩa là nhiệt độ thay đổi từ điểm này sang điểm khác trên một pad hoặc dọc theo một đường mạch vì tất cả các yếu tố tác động đến nhiệt độ cũng là các khái niệm điểm. Trong hình ảnh minh họa nhiệt độ bên dưới, nhiệt độ cao nhất trong số tất cả các via là 50,32°C. Trong khi một via gần đó có nhiệt độ là 46,99°C. Tại điểm gần chính giữa của pad, nhiệt độ là 50,57°C. Chỉ cách đó vài mm, nhiệt độ là 48,91°C. Chúng tôi cho rằng nhiệt độ thích hợp để so sánh là nhiệt độ tối đa của pad..
Hình 1. Biểu đồ nhiệt độ của pad và via tản nhiệt
Thiết kế via tản nhiệt như thế nào?
Các via tản nhiệt giúp làm tăng khả năng truyền nhiệt của mạch in, cho phép nhiệt lan tỏa đều hơn trên toàn bộ bo mạch. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng phụ thuộc vào các yếu tố như đường kính, số lượng và độ dày lớp mạ. Ví dụ, nhiều via tản nhiệt kích thước nhỏ thường hoạt động tốt hơn so với việc sử dụng các via kích thước lớn nhưng số lượng ít hơn.
- Kích thước và số lượng: Các lỗ nhỏ, được xếp gần nhau có hiệu quả tản nhiệt tốt hơn.
- Mạ lỗ: Các lỗ mạ có lớp đồng dày hơn giúp dẫn nhiệt tốt hơn.
- Tấm tản nhiệt: Sử dụng via tản nhiệt kết hợp với các tấm tản nhiệt hoặc mặt phẳng đồng.
- Vật liệu bít lỗ: Sử dụng các vật liệu có tính truyền nhiệt tốt (đồng hoặc epoxy…) để bịt kín các lỗ via để vừa làm tăng khả năng tản nhiệt, vừa hạn chế thiếc hàn chảy vào lỗ trong quá trình hàn.
- Vị trí: Đặt via tản nhiệt trực tiếp bên dưới các nguồn tạo nhiệt để đạt hiệu quả tối đa.
- Tối ưu chi phí: Đảm bảo tối ưu chi phí bằng cách cân bằng mật độ via với các ràng buộc khác trong quá trình sản xuất.
Khi nào cần sử dụng via tản nhiệt?
Via tản nhiệt là những lỗ rất đơn giản nằm bên dưới nguồn nhiệt gắn trên bề mặt trong bảng mạch cho phép truyền nhiệt. Via thông thường hoặc via-in-pad có thể giúp tăng đáng kể khả năng truyền nhiệt. Bạn cũng có thể đặt các via có lỗ được lấp đầy bởi epoxy và phủ đồng trên mặt (đối với các mạch in có độ dày trên 0.7mm) để tránh sự chảy thiếc đến các vị trí không mong muốn. Một số trường hợp cần sử dụng via tản nhiệt:
- Các thiết bị công suất cao được sử dụng, chẳng hạn như đèn LED hoặc MOSFET.
- Thiết kế mạch in với các linh kiện bố trí dày đặc.
- Thiết kế có sử dụng khối tản nhiệt hoặc miếng dán tản nhiệt.
- Các thiết bị được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao đòi hỏi các phương pháp tản nhiệt tiên tiến.
Số lượng và vị trí của các via tản nhiệt có tác động trực tiếp đến khả năng truyền nhiệt. Đặt các via càng gần nguồn nhiệt càng làm tăng khả năng truyền nhiệt. Các via tản nhiệt có tác dụng đối cả mạch in hai lớp hoặc mạch in nhiều lớp.
Thiết kế mảng via tản nhiệt
Mặc dù bạn có thể sử dụng các via tản nhiệt có đường kính khác nhau, nhưng đường kính tối ưu nhất cho sự truyền nhiệt tốt nhất là 0,3 mm. Khoảng cách tối ưu từ via đến via là 0,8 mm. Trước khi đặt mảng via, tốt hơn hết là bạn nên xác định khoảng cách giữa các via, khoảng cách này phụ thuộc vào các linh kiện tỏa nhiệt khác nhau. Sau đó, hãy cân nhắc vị trí via, các via cần được đặt trực tiếp bên dưới pad tản nhiệt của linh kiện dán.
Hình 2. Thiết kế mảng via tản nhiệt
Khi việc tản nhiệt nhờ các lỗ xuyên ngay dưới pad tản nhiệt của IC không đủ hiệu quả, có thể đặt thêm các via tản nhiệt xung quanh IC. Các via tản nhiệt này phải được đặt càng gần IC càng tốt. Các thông số được thiết lập bao gồm đường kính lỗ via, số lượng, hình dạng và các thông số liên quan thay đổi tùy theo từng nhà sản xuất và thường được quy định bởi các quy tắc thiết kế cụ thể. Điều quan trọng là phải xem xét các yếu tố này và điều chỉnh thiết kế để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt, đồng thời ghi nhớ và áp dụng các nguyên tắc đó trong quá trình nghiên cứu và triển khai.
Bạn có thể sử dụng các công cụ mô phỏng để xác định kích thước và hình dạng của miếng tản nhiệt cũng như chọn vật liệu nền tốt nhất để xử lý nhiệt lượng lớn hơn. Ngoài ra, bạn có thể sử dụng các công cụ mô phỏng để phân tích hiệu suất của các linh kiện và xác định các điểm nóng có thể xuất hiện trên bo mạch. Mô phỏng có thể hiển thị luồng nhiệt từ bề mặt trên cùng của bo mạch và mặt phẳng đồng bên dưới và minh họa mối quan hệ giữa khả năng tản nhiệt với số lượng via.
So sánh với các phương pháp quản lý nhiệt khác
Hình 3. Các tấm tản nhiệt
Để tối ưu khả năng tản nhiệt, người ta thường được sử dụng kết hợp với các phương pháp khác chẳng hạn như:
- Khối tản nhiệt: Các khối tản nhiệt rời gắn thêm vào mạch.
- Miếng tản nhiệt: Hiệu quả cao nhưng làm tăng chi phí.
- Mặt phẳng đồng: Cung cấp khả năng tản nhiệt nhưng có thể không đủ hiệu quả đổi với các ứng dụng công suất cao.
Kết luận
Via tản nhiệt là một công cụ quan trọng trong quản lý nhiệt trên mạch in, cung cấp giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để tản nhiệt trong các ứng dụng công suất cao. Việc áp dụng chúng giúp tăng cường độ tin cậy của mạch in, cải thiện hiệu suất và mang lại các thiết kế nhỏ gọn. Bằng cách cân nhắc cẩn thận vị trí, kích thước và số lượng của chúng trong quá trình thiết kế, các kỹ sư có thể đảm bảo hiệu suất tản nhiệt tối ưu. Kết hợp với các kỹ thuật quản lý nhiệt khác, các via tản nhiệt là không thể thiếu trong việc tạo ra các mạch in mạnh mẽ cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao ngày nay.
Khi bạn thiết kế các via tản nhiệt hãy tuân thủ các quy tắc sau đây. Để cải thiện khả năng tản nhiệt, nên tăng độ dày lớp đồng ở các tiếp điểm xuyên lỗ. Để có hệ số dẫn nhiệt tốt nhất, đường kính via tản nhiệt nên để 0,30 mm. Khoảng cách tối ưu từ via đến via là 0,80 mm.
Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc liên quan đến thiết kế và gia công mạch PCB hãy liên hệ với chúng tôi để được tư vấn và hỗ trợ!