В современных системах электропитания и охлаждения высокая плотность мощности и строгие требования к тепловому менеджменту ставят беспрецедентные задачи перед проектированием и производством печатных плат. Хотя технология поверхностного монтажа (SMT) стала мейнстримом благодаря своим возможностям автоматизации и интеграции, технология пайки THT/сквозных отверстий, с ее беспрецедентной механической прочностью, высокой токовой нагрузкой и исключительной тепловой производительностью, остается незаменимой основной технологией в таких областях, как силовая электроника, автомобилестроение, промышленная автоматизация и возобновляемые источники энергии. Это не устаревшая технология, а стратегический выбор для обеспечения стабильности и надежности системы в экстремальных условиях эксплуатации. С точки зрения опытного эксперта по проектированию VRM/PDN, в этой статье будет рассмотрено, как стратегически использовать технологию пайки THT/сквозных отверстий для решения задач проектирования, производства и валидации в условиях высоких токов, высоких переходных процессов и сложных тепловых сред.

Основная ценность пайки THT/сквозных отверстий в проектировании высокомощных PDN: Глубокие соединения за пределами поверхности

Конечная цель сети распределения питания (PDN) - обеспечить стабильную и чистую "плоскость" напряжения для основных чипов (таких как CPU, GPU и FPGA) в различных статических и динамических условиях нагрузки. В высокомощных приложениях, таких как серверы, базовые станции связи, инверторы электромобилей или промышленные системы управления, производительность PDN напрямую определяет успех или отказ всей системы. В таких сценариях компоненты для пайки THT/сквозного монтажа - такие как электролитические конденсаторы большой емкости, силовые индукторы с высокой индуктивностью, мощные разъемы и силовые модули - служат физической основой для построения надежной PDN.

По сравнению с точностью SMT-монтажа, выводы THT-компонентов проникают сквозь печатную плату и припаиваются с обратной стороны, образуя трехмерное, глубоко встроенное механическое и электрическое соединение. Эта структура предлагает преимущества, которые SMT не может обеспечить:

1. Способность выдерживать экстремально высокие токи: Это наиболее интуитивное преимущество THT. Стандартная контактная площадка SMT 1206 с толщиной меди 1 унция может безопасно пропускать только 2-3 ампера тока, тогда как хорошо спроектированная сквозная контактная площадка THT, в сочетании с процессами производства печатных плат с толстой медью, может легко выдерживать десятки или даже сотни ампер. Основная причина заключается в том, что паяные соединения THT не только используют поверхностные контактные площадки, но и направляют ток к крупным медным плоскостям на внутренних и нижних слоях через металлизированные сквозные отверстия (PTH), создавая трехмерный путь тока. «Столбик припоя», образующийся после полного заполнения сквозного отверстия припоем, плотно соединяется с выводом и стенкой отверстия, обеспечивая гораздо большую площадь контакта, чем у контактных площадок SMT, тем самым значительно снижая контактное сопротивление и джоулев нагрев (потери I²R).
2. Исключительная устойчивость к механическим нагрузкам: В таких областях применения, как автомобильная промышленность, промышленная робототехника или частое подключение и отключение, вибрация, удары и механические нагрузки являются обычным явлением. Паяные соединения SMT по своей природе являются двухмерными соединениями, и их надежность сильно зависит от интерметаллической прослойки (IMC) между припоем и контактной площадкой. При постоянных механических нагрузках слой IMC подвержен образованию микротрещин, что в конечном итоге приводит к усталостному разрушению паяного соединения или отрыву контактной площадки. В отличие от этого, выводы компонентов THT проникают в подложку, надежно закрепляя компонент, подобно «корабельному якорю». Их сопротивление растяжению и сдвигу на порядок выше, чем у SMT, что эффективно предотвращает отказы соединений, вызванные механическими нагрузками, и это критически важно для обеспечения долгосрочной надежности системы.
3. Эффективный вертикальный канал рассеивания тепла: "Жизненная сила" силовых устройств заключается в рассеивании тепла. Металлические выводы THT-компонентов по своей природе являются отличными теплопроводниками. Они действуют как миниатюрные "тепловые трубки", быстро передавая тепло, выделяемое MOSFET, IGBT или сердечниками силовых индукторов, изнутри устройства на печатную плату. Как только тепло достигает печатной платы, оно может распространяться латерально через большие площади силовых или заземляющих слоев (обычно толстые медные слои) или проводиться вертикально на обратную сторону печатной платы через плотные массивы тепловых переходных отверстий, где затем рассеивается радиаторами. Эта трехмерная сеть рассеивания тепла - от точки к поверхности и сверху вниз - демонстрирует значительно более низкое тепловое сопротивление по сравнению с SMT-решениями, которые полагаются на поверхностную медную фольгу печатной платы для рассеивания тепла. Эффект особенно выражен при использовании высокотеплопроводных печатных плат (таких как алюминиевые или керамические подложки).

Целевые значения импеданса PDN и охват частотного диапазона: совместная стратегия для THT и SMT компонентов

Идеальная PDN должна поддерживать чрезвычайно низкое целевое сопротивление в широком диапазоне частот (от постоянного тока до нескольких ГГц). Ни один тип конденсатора не может достичь этого в одиночку. Таким образом, успешный дизайн PDN - это искусство сотрудничества между THT и SMT компонентами. Мы можем разбить частотные диапазоны отклика PDN следующим образом:

• Низкочастотный диапазон (постоянный ток ~ сотни кГц): Импеданс в этом диапазоне в основном определяется скоростью отклика модуля регулятора напряжения (VRM) и электролитическими или полимерными THT-конденсаторами большой емкости. Когда ток нагрузки претерпевает медленные, но значительные изменения (например, сервер переходит из режима ожидания в режим полной нагрузки), контуру управления VRM требуется время для реакции. В течение этого периода эти THT-конденсаторы функционируют как «гидроаккумулирующие электростанции» в сети, высвобождая свою значительную запасенную энергию (высокую емкость) для поддержания стабильности напряжения. Их относительно высокое ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) и ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) делают их неэффективными на более высоких частотах, но они остаются незаменимыми «энергетическими резервуарами» в низкочастотном диапазоне.

• Среднечастотный диапазон (сотни кГц ~ десятки МГц): Это основное поле битвы для развязывающих сетей и место, где концентрируется большая часть коммутационного шума цифровых схем. Контроль импеданса в этом диапазоне основан на многочисленных многослойных керамических конденсаторах (MLCC) с низким ESR/ESL, установленных на печатной плате посредством SMT-монтажа. Путем тщательного размещения MLCC различной емкости (например, 10 мкФ, 1 мкФ, 0,1 мкФ) вокруг выводов питания чипа может быть создан широкополосный низкоимпедансный путь для эффективного подавления шума в этом диапазоне. Эта стратегия, известная как «многослойная развязка», назначает каждому слою конденсаторов определенный частотный диапазон, коллективно «сглаживая» кривую импеданса.

• Высокочастотный диапазон (> десятки МГц): На этих частотах дискретные конденсаторы становятся в значительной степени неэффективными, и доминируют паразитная индуктивность и емкость печатной платы. Здесь производительность PDN зависит от физического дизайна: оптимизированный стек печатной платы (например, плотно связанные плоскости питания/земли), минимизированные пути возвратного тока и плотные заземляющие переходные отверстия (stitching vias) критически важны для контроля высокочастотного импеданса.

На протяжении фаз NPI EVT/DVT/PVT (Внедрение нового продукта) валидация PDN является основной задачей. На этапе EVT (Инженерные верификационные испытания) инженеры используют векторные анализаторы цепей (VNA) для измерения фактического импеданса на прототипных платах и сравнения его с результатами моделирования (например, диаграммами Боде) для проверки соответствия конструкции. На этапе DVT (Верификационные испытания конструкции) проводятся более строгие тесты переходных процессов нагрузки с использованием электронных нагрузок для имитации наихудших шагов тока (dI/dt) с одновременным наблюдением за падением напряжения (Vdroop) и перерегулированием, чтобы убедиться, что совместная стратегия THT-SMT эффективно работает в реальных условиях.

Оптимизация переходной нагрузки и динамического отклика: Эстафета заряда в наносекундном диапазоне

Современные высокопроизводительные процессоры или FPGA могут испытывать резкие изменения тока нагрузки (высокий dI/dt) в течение наносекунд (нс), что является окончательным испытанием для способности PDN к динамическому отклику. Представьте, что когда GPU начинает рендерить сложный кадр, его потребление тока может подскочить с 10А до 200А в течение 100нс. В этот момент начинается эстафета заряда по всей печатной плате:

1. Начальные 1-10нс: Отклик поступает от конденсаторов внутри корпуса чипа и на кристалле, которые являются ближайшими «аптечками первой помощи» для транзисторов.
2. 10нс - 1мкс: SMT MLCC, плотно окружающие чип, начинают разряжаться. Они являются «солдатами на передовой», обеспечивая первую волну поддержки при переходных токовых нагрузках.
3. 1мкс - 100мкс: По мере течения времени и сохранения потребности в токе заряд в ближайших MLCC постепенно истощается. На этом этапе эстафету принимают чуть более удаленные SMT-конденсаторы большей емкости и, в конечном итоге, крупные объемные THT-конденсаторы. Они действуют как «линии логистического снабжения», непрерывно доставляя накопленный заряд на передовую.
4. >100μs: Контур управления VRM наконец реагирует и начинает увеличивать выходную мощность, чтобы принципиально удовлетворить новую потребность в установившемся токе.

В этом процессе компоненты THT играют роль «стратегических резервов». Стратегии оптимизации этой «цепочки доставки заряда» включают:

• Минимизация паразитной индуктивности: Индуктивность - враг номер один переходной характеристики (V = L * dI/dt). Выводы THT-компонентов по своей природе имеют не пренебрежимо малую ESL. Разработчикам следует выбирать силовые устройства с короткими выводами или в планарных корпусах. Что еще более важно, обеспечьте достаточное количество низкоиндуктивных переходных отверстий между их контактными площадками и плоскостями питания/земли. Распространенная ошибка - назначение только одного переходного отверстия для сильноточного THT-вывода, что создает серьезное индуктивное узкое место.
• Дизайн плоскостей: Используйте полные, низкоимпедансные плоскости питания и земли вместо тонких дорожек для передачи высоких токов. Это не только снижает сопротивление постоянному току, но, что более важно, значительно уменьшает общую индуктивность PDN. Для печатных плат с толстым медным покрытием (например, с использованием меди толщиной 3 унции или более) их низкоиндуктивные характеристики особенно важны для улучшения высокочастотной характеристики.

Терморегулирование и надежность: Комплексная защита от проектирования контактных площадок до конформного покрытия

Еще одной важной областью применения пайки THT/сквозных отверстий является терморегулирование. Мощные MOSFET, индукторы, предохранители и разъемы - часто сильно нагревающиеся компоненты - обычно используют THT-корпуса именно для того, чтобы использовать их превосходные возможности рассеивания тепла.

• Искусство тепловых площадок: Проектирование площадок для THT-компонентов - это искусство балансирования. С одной стороны, для эффективной теплопроводности мы хотим, чтобы выводы напрямую подключались к большим медным областям. Но с другой стороны, это может вызвать быстрое рассеивание тепла во время пайки, создавая «теплоотводящие площадки», что может привести к холодным паяным соединениям или плохим контактам. Таким образом, были введены терморельефные площадки. Они соединяют площадку с медной плоскостью через несколько тонких «спиц», обеспечивая электрическое соединение, одновременно предоставляя тепловую изоляцию во время пайки, гарантируя, что паяное соединение достигнет достаточной температуры.
  • Практический совет: Для выводов, требующих экстремального рассеивания тепла (например, сток MOSFET), может быть применена стратегия «прямого соединения + тепловые переходные отверстия». Здесь площадка напрямую соединяется с медной плоскостью, с плотным массивом тепловых переходных отверстий, расположенных под или вокруг площадки, для эффективной передачи тепла на внутренние или задние слои печатной платы. Для сигнальных выводов или выводов с низким энергопотреблением следует использовать стандартные терморельефные площадки для обеспечения качества пайки.
• Максимальная защита конформного покрытия: В суровых условиях - таких как влажные, пыльные, соленые или химически агрессивные среды (например, моторные отсеки автомобилей, прибрежное коммуникационное оборудование или блоки управления химических заводов) - открытые паяные соединения и металлические штырьки являются слабыми местами. Влага и загрязняющие вещества могут вызывать миграцию ионов металла, образуя дендриты (дендритный рост), что в конечном итоге приводит к коротким замыканиям. В таких случаях нанесение конформного покрытия (защитного покрытия) на всю печатную плату (PCBA) переходит из "опции" в "необходимость".
  • Детали процесса: Равномерный слой конформного покрытия (обычно акрилового, силиконового или полиуретанового) эффективно изолирует плату от внешних условий. Перед нанесением покрытия PCBA должна быть тщательно очищена и высушена для обеспечения прочной адгезии. Для THT-компонентов, из-за их сложных 3D-структур, автоматическое распыление может создавать "теневые эффекты", оставляя некоторые области непокрытыми. Таким образом, для обеспечения полного покрытия всех паяных соединений, оснований штырьков и корпусов компонентов часто требуются погружное покрытие, селективное покрытие или ручная доработка. После нанесения покрытия необходимы осмотр в УФ-свете (если покрытие содержит флуоресцентные агенты) и измерения толщины для проверки соответствия стандартам.