PCB和Via有關的熱效應

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在PCB 當中,和Via有關熱效應可以分作幾個方面:
1. 電流不經過Via, 但因為打了Via,而造成通道銅箔變窄
2. 因為Via的排列方式,導致每一顆Via經過的電流並不平均


模型以常見的Via32做測試,以截面積寬為361mil加載25A作為分析對象。觀察打了一組4x4的矩陣之後會有什麼狀況。


疊構的話採用表層銅箔厚1.8mil,內層銅箔厚2.6mil,上下介電層使用FR4,分別取68.11mil與51.57mil的非對稱結構。 (因為只是模擬,就沒有特別去畫成對稱了。)

其中,通道銅箔的測試,電流僅在內層流動,而Via排列的測試則是由TOP走到BOT。




通道銅箔變窄

針對Via間隙的測試

raw-image

透過改變via間隙,來觀察在不影響通道寬的狀況下,最高溫情況是否有所改變。結果看起來改變via間距並沒有太大差別。

針對排列方式的測試

raw-image

再來觀察如果保持一樣的via數量,但是改變排列方式,使通道截面積變寬,最高溫是否有因此改變。結果表示,通道銅箔的發熱程度,基本上只和通道寬度相關,沿電流方向排列可以減少裁切面積,效果較好。

Via placement

由於方陣排列容易造成Via current不平均,內圈效果遠不如外圈好,因此針對不同的排列方式進行嘗試,並和原始方陣排列比較效果。
(*圖中Color map為current density而非指溫度)

原始方陣排列 -134.22C


越紅代表電流集中的地方,而電流由左從TOP經由via銅壁走到BOT層。可以看到首先大部分電流由第一排下去,外圍與第二排差不多,到內層第三排以後其實使用的效果就差很多。




垂直於電流方向 -129.61C


概念是縮減至無內圈Via,雖然提高了有效運用的第一排via數目,但是卻讓第二排的整體使用率不如預期,整體算是略有幫助。




沿電流方向 -118.79C


在無內圈基礎下,充分使用到每一顆Via,同時減緩了兩端電流梯度,是各方案中效果最好的,已經接近5×5 via方陣的結果了 (16顆抵25顆)。




Grouped Via -121.38C


考量到施工空間可能沒辦法做成一條龍式,因此考慮增加中間通道,效果略差但也還不錯
值得注意的是,通道並不是越寬越好,遠到一個程度後方Via會被忽略,如下圖


右側的8顆因為距離太遠而基本上發揮不了功能,而左側的8顆實際上只有最靠近中間的兩顆有功能,所以也不是多打就有用,不夠近就沒有意義。




延伸閱讀-與IPC 2221x的比較

業界對於Via current 的設計準則一般都是參考IPC 2221x的文獻,然而這份文獻的研究對象是單顆Via, 而實際上設計大概很少只打單顆,所以透過模擬來看看打多顆會怎樣。


疊構很簡單的採兩面銅各1.7mil,介電層厚60mil,中間打一顆Via 18鍍層1mil。從1A開始加載到5A。單顆壓降的結果基本上和文獻接近,沒什麼大問題。


然後我們就很常聽到Layout在算1顆可以走幾A,然後說你這個走200A要幾顆。但是,這個關係真的是線性的嗎? 下面是我們線性擴展成16顆via的測試,也就是說,如果1顆可以走1A,那16顆應該要可以走16A,如果1顆可以走5A,那16顆應該要可以走80A。


結果慘不忍睹,相對於單顆幾乎沒有溫升的狀況,多顆惡化的情形超乎預期。
多顆Via的狀況下,每一顆的負載並不均勻,外圍重內部輕,內外壓降相差可以到接近3倍 (0.0004V~0.0011V)


其二是,即使我們假設發熱量是線性的,多顆Via的累積熱還是遠比單顆高,但是散熱面積卻沒有相應增加,如果考量被挖掉的部分甚至是更少,因此以為1顆可以走2A所以=25顆可以走50A的想法基本上是不成立的。

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