Теплоотвод через печатную плату

Тепловая модель

TI в руководстве SNVA419C описывает теплоотвод как электрическую цепь: мощность вместо тока, разность температур вместо напряжения, тепловые сопротивления в °C/Вт вместо омов. От кристалла к воздуху ведут два параллельных пути:

• через верх корпуса — от кристалла до пластмассы сверху (θJT) и от неё в воздух (θTA);
• через открытую площадку — от кристалла до площадки (θJC) и дальше через плату в воздух (θCA).

У пластмассы теплопроводность низкая, поэтому у корпусов с площадкой основная часть тепла идёт нижним путём. SLVA959B называет три пути — площадку, компаунд корпуса и выводы с проволочными соединениями — и самым эффективным считает площадку.

Что значат θJA и θJC в даташите

θJA — сопротивление от кристалла до воздуха по всем путям сразу. Чем оно меньше, тем меньше нагрев: температура кристалла T_J = T_A + P · θ_JA. Но θJA почти целиком определяется платой, поэтому в даташите его измеряют на стандартной плате по стандартам JEDEC JESD51 — 3 × 4 дюйма. По TI θJA годится, чтобы сравнивать корпуса между собой и быстро проверить замысел: у SOT-23 оно около 179 °C/Вт, у eMSOP-14 — около 40, у TO-PMOD-7 и TO-263 — около 20 °C/Вт. Ваша плата будет другой, и θJA на ней — тоже.

θJC — сопротивление от кристалла до корпуса, от платы оно не зависит. Здесь TI предупреждает о путанице: для корпусов без площадки θJC — это сопротивление до верха корпуса, а для корпусов с площадкой — до площадки, то есть по самому низкоомному пути. У корпусов для большой мощности θJC бывает меньше 2 °C/Вт, у корпусов без площадки — больше 100 °C/Вт. Если θJC в даташите нет, его можно запросить у производителя.

Отсюда метод TI: взять θJC из даташита, посчитать сопротивление своей платы θCA и сложить. Правило для площади платы, следующее из этой модели, — в калькуляторе.

Правила разводки

Площадка и полигон. Тепловую площадку корпуса припаивают к площадке на плате — по руководству о корпусах PowerPAD без пайки тепло отводится недостаточно. Медь под микросхемой должна покрывать всю площадку и широким путём переходить в большой полигон: SLVA959B показывает на тепловых снимках, как разорванный полигон под драйвером повышает температуру по сравнению со сплошным.

Отверстия в нижний слой. Площадку связывают с полигоном земли на обратной стороне и во внутренних слоях массивом теплоотводных отверстий — прямо под площадкой, с шагом около 1 мм, без тепловых барьеров. Одно отверстие 0,3 мм по расчёту TI имеет сопротивление около 261 °C/Вт, но 16 таких параллельно — уже 16,3 °C/Вт.

Без разрывов теплового пути. Тепло растекается от микросхемы радиально. Дорожка или разрез поперёк этого потока работают как «лежачий полицейский»: в опыте TI широкий разрез меди поперёк потока поднял температуру платы на 5,5 °C, а такой же вдоль — на 1,5 °C. Поэтому полигон по возможности оставляют сплошным, а неизбежные дорожки ведут вдоль потока.

Толщина меди. Чем толще медь, тем легче тепло расходится вбок: квадрат меди 1 унция (35 мкм) имеет сопротивление 71,4 °C/Вт, 2 унции — вдвое меньше. По SNVA419C медь нужна не тоньше 1 унции, 2 унции — при мощности больше 3 Вт, 4 унции — больше 6 Вт; в опыте TI замена 1 унции на 2 на плате 3 × 3 дюйма снизила θJA на 25 %. Для драйверов двигателей SLVA959B советует 1,5–2 унции.

Площадь и воздух. С поверхности платы тепло уходит конвекцией и излучением; TI берёт коэффициент теплоотдачи около 10 Вт/(м²·К). Отсюда правило: двусторонней плате со сплошной медью без обдува нужно не меньше 15,29 см² на ватт при перегреве около 40 °C. Обдув сокращает площадь до двух раз. Правило предполагает, что корпус прибора не мешает естественной конвекции с обеих сторон платы, а медь от площадки доходит до краёв платы.

Радиатор

Радиатор ставят на путь с наименьшим сопротивлением до кристалла. Сопротивление от кристалла до пластмассового верха корпуса, по TI, — 50–200 °C/Вт, и радиатор на корпусе оказывается последовательно с ним. Радиатор на обратной стороне платы, напротив площадки, подключён через низкое θJC и отверстия и работает намного лучше. Исключение — новые корпуса MOSFET с открытой металлической площадкой сверху: по TI они дают больше вариантов установки радиатора. Сопротивление самого радиатора и перегрев считает калькулятор радиатора.

Несколько источников тепла

Если на плате несколько горячих микросхем, их влияние, по TI, почти складывается: считают перегрев от каждой по отдельности, остальные мысленно отключив, и суммируют. «Почти» — потому что часть тепловых сопротивлений зависит от температуры, и сумма даёт ошибку. Для точной оценки TI советует моделирование методом конечных элементов, а резисторную модель — для первых прикидок: какая нужна площадь, нужен ли обдув и подойдёт ли корпус.

Другие правила разводки — в разделе «Печатные платы», что такое тепловое сопротивление — в словаре на странице «Тепловое сопротивление», размеры корпусов и их площадок — в разделе «Корпуса».