1. Memperbesar Area Tembaga & Penuangan Tembaga Area Besar
Prinsip Inti: Tembaga memiliki konduktivitas termal sekitar 401 W/(m·K), ribuan kali lebih tinggi dibandingkan substrat FR‑4 (~0,3 W/(m·K)). Memperluas area foil tembaga di sekitar komponen penghasil panas menciptakan penampang yang lebih besar untuk penyebaran panas dan secara efektif mengurangi ketahanan termal sambungan ke lingkungan.
Poin-Poin Penting Rekayasa:
Pin daya dan ground dari IC intensif panas harus terhubung langsung ke bidang tembaga besar; hindari jejak sempit yang membatasi aliran panas.
Tuangkan tembaga pada lapisan atas dan bawah dan pasangkan secara termal melalui vias untuk mencapai penggandaan ketebalan tembaga yang setara.
Tuangan tembaga yang lebih besar tidak selalu memberikan manfaat yang proporsional. Perolehan termal berkurang hingga 3-5 kali ukuran chip. Seimbangkan kinerja termal dengan EMI dan integritas sinyal.
Untuk perangkat BGA / QFN dengan bantalan termal bawah, pertahankan tembaga kontinu tanpa segmentasi langsung di bawah chip.
2. Susunan Vias Termal
Prinsip Inti: Jika bantalan termal komponen berada di lapisan atas sementara pembuangan panas besar terjadi di lapisan bawah atau dalam, ketahanan termal vertikal didominasi oleh dielektrik FR‑4. Via termal membentuk saluran tembaga di seluruh lapisan PCB, mentransfer panas dengan cepat dari bantalan sisi atas ke tembaga lapisan bawah atau unit pendingin. Mereka mewakili salah satu cara paling efektif untuk menurunkan ketahanan termal vertikal.
Poin-Poin Penting Rekayasa:
Kuantitas lebih penting daripada diameter single‑via. Beberapa via kecil mengungguli satu via besar. Penerapan umum: vias berdiameter 0,3‑0,5 mm yang disusun dalam susunan dengan jarak 1,0‑1,5 mm di bawah bantalan termal.
Cegah wicking solder: vias yang mendarat langsung pada bantalan dapat menarik solder. Untuk produksi massal, gunakan VIPPO (Via‑in‑Pad Plated‑Over) dengan pengisian via dan penutup tembaga.
Pasangkan vias termal dengan lapisan dalam yang kokoh atau bidang listrik untuk membangun struktur pembuangan panas 3D yang menggabungkan vias dan bidang.
Untuk perangkat dengan konsumsi daya di atas 5 W, gunakan setidaknya 9 via termal dan validasi hasilnya melalui simulasi termal.
3. Bantalan Termal & Bantalan Terkena (EPAD)
Prinsip Inti: Paket seperti QFN, DFN, dan SOIC‑EP dilengkapi bantalan cetakan metalik terbuka di bagian bawah yang direkatkan langsung ke cetakan chip. Bantalan tembaga yang serasi yang dirancang pada PCB memungkinkan panas keluar dari bagian belakang chip, bukan hanya melalui kabel komponen.
Poin-Poin Penting Rekayasa:
Dimensi PCB EPAD harus mengikuti rekomendasi lembar data, biasanya sedikit lebih besar (margin 0,1‑0,25 mm di setiap sisi) dibandingkan bantalan paket yang terbuka.
Rutekan EPAD ke bidang tembaga besar lapisan bawah atau dalam melalui susunan termal melalui; tembaga lapisan atas saja memberikan kemampuan pendinginan yang terbatas.
Rancang stensil dengan beberapa bukaan kecil (bukan satu bukaan besar padat) di atas EPAD untuk mengontrol volume pasta solder dan mencegah komponen mengambang atau menjembatani.
EPAD yang diterapkan dengan baik dapat mencapai ketahanan termal serendah 1‑2 derajat/W, sehingga menghasilkan kinerja biaya tinggi untuk desain termal.
4. PCB Inti Logam (MCPCB / PCB Berbasis Aluminium)
Prinsip Inti: Substrat FR‑4 standar memiliki konduktivitas termal yang buruk. MCPCB menggunakan aluminium atau tembaga sebagai inti dengan lapisan dielektrik konduktif termal tipis (50‑100 μm). Konduktivitas termal keseluruhannya mencapai 1‑8 W/(m·K), jauh lebih tinggi dibandingkan FR‑4. Perpindahan panas dari bantalan komponen melalui lapisan dielektrik ke inti logam kemudian ke selungkup.
Poin-Poin Penting Rekayasa:
Aplikasi umum: lampu LED berdaya tinggi, elektronik otomotif, modul daya. Kontrol suhu sambungan LED sangat bergantung pada PCB berbahan dasar aluminium.
Lapisan dielektrik adalah penghambat termal utama. Prioritaskan konduktivitas termal dielektrik daripada hanya berfokus pada bahan logam dasar selama pemilihan komponen.
Biaya lebih tinggi dari FR‑4. Kompleks melalui pemrosesan diperlukan karena inti logam konduktif; MCPCB multi-lapisan secara teknis menantang.
Alternatif: sebagian koin tembaga / tatahan tembaga yang tertanam di dalam papan FR‑4 untuk menyeimbangkan biaya dan kinerja termal.
5. Pendingin Eksternal & Bahan Antarmuka Termal (TIM)
Prinsip Inti: Ketika pembuangan panas intrinsik PCB mencapai batasnya, panas harus dialirkan ke unit pendingin eksternal yang lebih besar. Komponen penghasil panas atau tembaga PCB sisi belakang bersentuhan dengan unit pendingin melalui TIM, mengisi celah mikroskopis dan menggantikan udara (konduktivitas termal udara ~0,026 W/(m·K), konduktor panas yang buruk).
| Jenis | Konduktivitas Termal | Ketebalan | Skenario Aplikasi |
|---|---|---|---|
| Gemuk Termal | 2‑8 W/(m·K) | Sangat tipis (<0.1 mm) | IGBT, CPU; aplikasi yang memungkinkan perakitan kembali dengan tekanan terkontrol |
| Bantalan Celah Termal | 1‑6 W/(m·K) | 0,5‑5 mm | Kompensasi perbedaan ketinggian, isolasi listrik, penyerapan goncangan |
| Perekat Termal Dua Komponen | 1‑3 W/(m·K) | Bergantung pada aplikasi | Skenario memerlukan kontak termal dan ikatan mekanis |
| Materi Perubahan Fase | 3‑6 W/(m·K) | 0,1‑0,25mm | Meleleh di bawah suhu tinggi untuk mengisi celah, keandalan jangka panjang yang baik |
6. Optimasi Tata Letak Komponen & Desain Saluran Udara
Prinsip Inti: Lima metode sebelumnya fokus pada konduksi panas. Pada akhirnya panas harus hilang ke lingkungan melalui konveksi dan radiasi. Tata letak dan desain aliran udara yang tepat dapat secara signifikan mengurangi ketahanan termal sistem tanpa biaya BOM tambahan.
Ringkasan: Pemikiran Sistematis untuk Desain Termal
Desain termal PCB tidak sekadar menyusun trik individual, namun optimalisasi sistematis di seluruh rantai ketahanan termal penuh:
Persimpangan Chip → Paket → Bantalan Solder → Tembaga PCB → Vias / Inti Logam → Pendingin → Lingkungan Sekitar
Ketahanan termal setiap segmen memerlukan evaluasi kuantitatif. Alur kerja yang disarankan:
Perkirakan konsumsi daya dan suhu sambungan maksimum yang diperbolehkan untuk setiap perangkat penghasil panas.
Hitung resistansi termal total yang diijinkan: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Alokasikan anggaran ketahanan termal untuk paket, PCB, dan unit pendingin serta identifikasi hambatan.
Gabungkan metode yang disebutkan di atas. EPAD ditambah jalur termal ditambah tembaga lapisan bawah yang besar menawarkan garis dasar yang paling hemat biaya. Tambahkan unit pendingin atau papan inti logam untuk skenario berdaya tinggi.
Validasi dengan simulasi termal (FloTHERM, ANSYS Icepak, dll.) dan kalibrasi dengan pengukuran pencitraan termal inframerah.
