דרך מעגלים מודפסים משמשים כערוצים מוליכים קריטיים לחיבור שכבות שונות של מעגלים, ויכולת זרם היתר שלהם משפיעה ישירות על הביצועים והאמינות של מערכת המעגלים כולה. במיוחד בתרחישי יישומי זרם גבוה, כגון מעגלי חשמל, מעגלי מגבר כוח וכו', אם יכולת זרם היתר של ה-via אינה מטופלת כראוי, היא עלולה לגרום להתחממות יתר מקומית, ניתוק מפרק הלחמה, ואפילו לשרוף את המעגל המודפס, מה שיוביל לכשל בציוד.
1, גורמי מפתח המשפיעים על קיבולת-זרימת החורים
קוטר וכמות החורים העוברים
קוטר החור-הדרך משחק תפקיד מכריע ביכולת הזרימה שלו. על פי עקרון צפיפות הזרם, באותם תנאי זרם, ככל שקוטר החור- גדול יותר, כך שטח החתך -שדרכו עובר הזרם גדול יותר, וצפיפות הזרם נמוכה יותר. לדוגמה, במודול הספק זרם גבוה, תוך שימוש בקוטר 0.3 מ"מ ו-via וקוטר 0.5 מ"מ, כאשר עוברים זרם 10A, ה-0.3 מ"מ ה-via עולה במהירות ל-140 מעלות עקב צפיפות הזרם הגבוהה, החורג בהרבה מטווח הסובלנות של חומר FR4 (בדרך כלל טמפרטורת העבודה של חומר FR4 מוגבלת מתחת ל-125 מעלות חמורה של סיכון לכשל חמור); הטמפרטורה של 0.5 מ"מ דרך-החור נשארת יציבה ב-85 מעלות, עדיין בטווח הבטוח. בנוסף, שימוש במספר חיבורים במקביל יכול להפיץ את הזרם ביעילות. במקרה של זרם כולל של 15A, הטמפרטורה של דרך יחידה של 0.5 מ"מ יכולה להגיע עד 130 מעלות, ומתקרבת לסף הסכנה. עם זאת, לאחר ששלושה חיבורים של 0.5 מ"מ מחוברים במקביל, הטמפרטורה יורדת ל-75 מעלות. כאשר מספר 0.5mm vias גדל לחמישה במקביל, הטמפרטורה יורדת עוד יותר ל-60 מעלות, ויציבות המערכת משתפרת משמעותית.
עובי ציפוי נחושת
עובי ציפוי הנחושת על הקיר הפנימי של ה-via קובע את המוליכות שלו. עובי ציפוי נחושת נפוץ כוללים 18 מיקרומטר, 25 מיקרומטר ומפרטים גבוהים יותר. אם לוקחים את אותו קוטר 0.5 מ"מ לדוגמא, כאשר עוברים זרם של 10A, הטמפרטורה של ה-18 מיקרומטר מצופה נחושת מגיעה ל-92 מעלות, הטמפרטורה יורדת ל-78 מעלות כאשר מצופה ב-25 מיקרומטר נחושת, והטמפרטורה של ה-50 מיקרומטר מצופה נחושת היא רק 65 מעלות. זה מצביע על כך שככל שעובי ציפוי הנחושת גדל, ההתנגדות של המעבר פוחתת, החום הנוצר כאשר הזרם עובר דרכו פוחת, והשפעת פיזור החום משתפרת באופן משמעותי, ובכך משפרת מאוד את יכולת זרם היתר של המעבר.
מספר שכבת מעגלים מודפסים ושיטת חיבור נחושת
מספר שכבות המעגלים המודפסים ושיטת החיבור בין ה-via לשכבת הנחושת הפנימית ישפיעו על נתיב ההולכה התרמית של ה-via. במעגלים מודפסים מרובי-שכבות, אם ה-via יכול להתחבר ביעילות למספר שכבות נחושת פנימיות, פירוש הדבר שניתן לפזר חום דרך יותר נתיבים, מה שמועיל לשיפור קיבולת זרם ה-via.
אמצעי פיזור חום
השלמות של אמצעי פיזור החום משפיעה מאוד גם על יכולת זרם היתר המעבר-לחור. הגדרת רדיד נחושת לפיזור חום ליד ה-via יכולה לפזר במהירות את החום שנוצר מה-via ולהפחית את טמפרטורת ה-via. השימוש במעברים חמים הוא חיוני באותה מידה שכן הם יכולים להפנות חום לאזורי פיזור חום אחרים של המעגל המודפס. בנוסף, מילוי של חומרי פיזור חום כגון דבק מוליך תרמי סביב המעבר יכול לשפר ביעילות את אפקט פיזור החום.
תנאי הסביבה
לטמפרטורה ולזרימת האוויר בסביבת העבודה יש השפעה בלתי ניתנת להכחשה על קיבולת הזרימה דרך-חור. בסביבות טמפרטורות גבוהות, קושי פיזור החום של הצינור עצמו עולה, וקיבולת זרם היתר שלו פוחתת בהתאם. לדוגמה, בטמפרטורת הסביבה של 50 מעלות, הזרם המותר דרך המעבר נמוך יותר מאשר בטמפרטורת החדר של 25 מעלות. זרימת אוויר טובה, כגון קירור אוויר מאולץ או תנאי הסעה טבעיים, יכולה להאיץ את פיזור חום פני השטח דרך המעבר ולעזור לשפר את יכולת זרימת המעבר. בחלק מהמכשירים האלקטרוניים החיצוניים, בשל שינויי הטמפרטורה הגדולים ותנאי האוורור המוגבלים, יש צורך לתכנן דרך קפדנית יותר כדי להתאים את עצמם לאתגרים של סביבות קשות על קיבולת זרם יתר.
2, שיטת הערכה עבור קיבולת זרימה דרך-חור
על פי נתוני התייחסות סטנדרטיים
נכון לעכשיו, למרות שאין תקן מאוחד במיוחד עבור קיבולת זרם יתר של דרך, ניתן להתייחס לנתונים על כושר הנשיאה הנוכחי של חוטי נחושת של לוח מעגלים מודפסים בתקן IPC-2152 לצורך הערכה ראשונית של קיבולת זרם יתר של דרך. תקן זה מספק ערכי ייחוס עבור כושר הנשיאה הנוכחי של רוחבי קווים שונים ועובי נחושת בתנאי עליית טמפרטורה ספציפיים. עם זאת, בשל ההבדלים בין מבני דרך לבין חוטי נחושת רגילים, ניתן להשתמש בנתונים אלה רק כהתייחסויות גסות, ויש להתאים אותם בהתאם למצבים ספציפיים ביישומים מעשיים.
בדיקה ניסיונית
בדיקה ניסיונית היא שיטה ישירה ומהימנה להערכת יכולת זרם יתר דרך-חור. על ידי בניית מעגל בדיקה בפועל, גדלים שונים של זרם מוחלים על חורי המעבר, וחיישני טמפרטורה משמשים לניטור שינויי הטמפרטורה של חורי המעבר בזמן אמת. לדוגמה, בניסוי, נבחרים דרך מרובים מאותו מפרט וזרמים שונים כגון 1A, 3A, 5A מועברים בהתאמה, והטמפרטורות המתאימות נרשמות. הערך הנוכחי שבו הטמפרטורה מגיעה לגבול הסבילות של חומר FR4 הוא קיבולת זרם היתר המקסימלית של ה-via במצב זה. שיטה זו יכולה לשקף באופן אינטואיטיבי את הביצועים של ויאס בעבודה מעשית, אך תהליך הניסוי גוזל זמן- ומייגע, ומושפע מגורמים כגון סביבת הבדיקה ודיוק הציוד.
ניתוח סימולציה תרמית
באמצעות תוכנת סימולציה תרמית מקצועית, בנה מודל תרמי תלת-ממדי של מעגלים מודפסים כדי לדמות את חלוקת הטמפרטורה של צינורות תחת עומסי זרם שונים. במודל הסימולציה ניתן להגדיר במדויק פרמטרים כגון קוטר דרך, עובי ציפוי נחושת, מספר שכבת לוח מעגלים מודפס ותנאי פיזור חום. על ידי שינוי פרמטרים אלה, ניתן לצפות בשינויי טמפרטורת המעבר כדי להעריך את יכולת זרם יתר המעבר. על ידי השוואת הטמפרטורה של חיבורים בקוטר 0.3 מ"מ, 0.5 מ"מ ו-0.8 מ"מ מתחת לזרם 10A באמצעות סימולציה, ברור שיש הבדלים בקיבולת זרם יתר של צינורות עם קטרים שונים. ניתוח סימולציה תרמית יעיל ויכול לשקול באופן מקיף מספר גורמים, מה שמספק בסיס חזק לאופטימיזציה באמצעות עיצוב. עם זאת, הדיוק של תוצאות הסימולציה תלוי ברציונליות של הגדרות פרמטר המודל.
3, אסטרטגיית אופטימיזציה של עיצוב להגברת יכולת הזרימה של חורים דרך
בצע אופטימיזציה באמצעות גודל ופריסה
בשלב התכנון, מומלץ להשתמש בצינורות בקוטר גדול ככל האפשר, רצוי גדול מ- או שווה ל-0.5 מ"מ, כדי להפחית את צפיפות הזרם ולמזער את יצירת החום. עבור יישומי זרם גבוה, יש לחבר מספר חיבורים במקביל. עבור זרמים גדולים מ-5A, מומלץ להשתמש ב-3 0.5mm vias גדול או שווה ל-3 0.5mm. יחד עם זאת, תכנן את פריסת המעברים בצורה סבירה כדי למנוע ריכוז מוגזם של דרך ולמנוע הצטברות חום מוגזמת באזורים מקומיים. לדוגמה, חיבור המעבר בין מישור הכוח למישור ההארקה, עם חיבורים מפוזרים באופן שווה, יכול למעשה לאזן את הזרם ולשפר את יכולת זרם היתר הכוללת.
הגדל את עובי ציפוי הנחושת
אם תהליך ייצור המעגלים המודפסים מאפשר, הגדלת עובי ציפוי הנחושת בדופן הפנימית של ה-via ל-25 מיקרומטר או יותר יכולה להפחית משמעותית את ההתנגדות התרמית של ה-via ולשפר את יכולת זרם היתר שלו. לדוגמה, בלוח אם של שרת הדורש יציבות הספק גבוהה במיוחד, עובי ציפוי הנחושת על חורי המעבר הוגדל מ-18 מיקרומטר ל-35 מיקרומטר. לאחר הבדיקה, הטמפרטורה של חורי המעבר הופחתה משמעותית בעומסי זרם גבוהים, ויציבות המערכת השתפרה מאוד.
עיצוב פיזור חום משופר
הנח שטח גדול של רדיד נחושת לפיזור חום מסביב למעבר והבטח חיבור טוב בין המעבר לרדיד נחושת פיזור החום, מתן נתיב הולכה יעיל לחום. סידור דרך תרמית באופן סביר כדי לפזר חום לאזורי פיזור חום אחרים של המעגל המודפס. בנוסף, ציפוי חומרי פיזור חום כגון צבע מוליך תרמי על פני המעבר משפר עוד יותר את אפקט פיזור החום. במכשירים אלקטרוניים עם הספק- גבוה, כגון תכנון המעגלים המודפסים של ממירי תדרים תעשייתיים, אמצעי פיזור חום אלו יכולים לשפר ביעילות את האמינות של פעולת דרך בסביבות זרם גבוה.
התאם בהתאם לתרחישי היישום בפועל
שקול היטב את סביבת השימוש בפועל של המעגלים המודפסים, כגון טמפרטורת עבודה, לחות, תנאי אוורור וכו', ובצע אופטימיזציה של עיצוב החור-בהתאמה בהתאם. בסביבות טמפרטורות גבוהות, הגדל כראוי את הגודל או מספר חורי המעבר; בסביבות לחות, יש לחזק את אמצעי ההגנה לחורים עוברים כדי למנוע ירידה ביכולת זרם יתר עקב קורוזיה.