Современные электронные устройства становятся всё компактнее, мощнее и теплее. Рост плотности компонентов приводит к увеличению локальных температур, что напрямую влияет на срок службы и надёжность. Эффективное тепловое управление — не просто рекомендация, а необходимость. В этой статье разберём основные методы отвода тепла в печатных платах и сравним их применимость — от простых тепловых переходов до металлических подложек и графитовых прокладок.
Почему тепло — главный враг электроники
Каждый электронный компонент выделяет тепло, пропорциональное току и сопротивлению. При превышении допустимых температур (обычно 85–125 °C для микросхем) начинаются необратимые процессы: деградация припоя, старение электролитов, изменение параметров резисторов и диэлектриков.
Для современных микроконтроллеров, LED-драйверов, MOSFET-транзисторов и источников питания перегрев — основная причина отказов.
Решение — грамотно продумать пути отвода тепла от источников к радиатору, корпусу или внешней среде. Эти пути формируются ещё на стадии проектирования печатной платы.
1. Тепловые via: просто, эффективно и недорого
Самый распространённый метод — тепловые переходные отверстия (thermal vias). Это обычные металлизированные отверстия, расположенные под мощными компонентами и соединяющие верхний слой с внутренними и нижними медными полями.
Преимущества:
-
низкая стоимость;
-
простая реализация;
-
улучшение вертикальной теплопередачи;
-
подходит для стандартных FR4-плат.
Рекомендации:
-
диаметр отверстия 0,3–0,5 мм;
-
шаг между via — 1–1,2 мм;
-
залуживание или заполнение при необходимости пайки сверху;
-
подключение к массивным медным полигонам для отвода тепла в стороны.
Этот метод особенно эффективен при рассеянии тепла до 1–2 Вт на точку, например для DC-DC-преобразователей, драйверов или регуляторов.
2. Медные полигоны и радиаторы на плате
Иногда достаточно увеличить площадь меди вокруг нагревающегося элемента. Чем больше меди и чем толще слой (например, 70 мкм вместо стандартных 35 мкм), тем ниже тепловое сопротивление.
Можно использовать:
-
большие медные полигоны на слоях питания и земли;
-
термопрокладки между платой и металлическим корпусом;
-
внешние радиаторы, установленные на компоненты через термопасту.
Плюсы: дёшево и технологично.
Минусы: ограничено по эффективности — при высокой плотности монтажа такой способ не справляется с рассеянием больших мощностей.
3. Платы на металлических основаниях (MCPCB)
MCPCB (Metal Core PCB) — печатные платы с алюминиевой или медной подложкой и изолирующим диэлектрическим слоем. Тепло с компонентов проходит через тонкий слой изоляции к металлическому основанию, а затем к радиатору или корпусу.
Преимущества:
-
высокая теплопроводность (в 5–10 раз выше, чем у FR4);
-
повышенная жёсткость и виброустойчивость;
-
снижение температуры компонентов до 20–30 °C по сравнению с обычной платой.
Недостатки:
-
сложность многослойного исполнения;
-
невозможность сверлить сквозные via;
-
дороже стандартных плат.
MCPCB незаменимы в мощных светодиодных модулях, источниках питания, драйверах моторов и промышленной электронике. При проектировании важно учитывать тепловое расширение и особенности монтажа — особенно если корпус также служит теплоотводом.
4. Графитовые и композитные термопрокладки
Графитовые листы и теплопроводящие композиты применяются, когда нужно перенести тепло от платы к корпусу или экрану. Они обеспечивают теплопроводность до 400–800 Вт/м·К (сопоставимо с алюминием) и гибкость, что удобно при неровных поверхностях.
Преимущества:
-
лёгкость и компактность;
-
равномерное распределение тепла;
-
возможность работы в ограниченном пространстве;
-
отсутствие токопроводящих свойств у полимерных вариантов.
Используются в мобильных устройствах, автомобильной электронике, промышленных датчиках. Такие прокладки часто комбинируют с MCPCB или медными полигонами для повышения эффективности.
5. Комбинированные решения и тепловое моделирование
Для сложных изделий важно не просто выбрать материал, а правильно сочетать методы.
Типовой подход:
-
тепловые via под источником;
-
большой полигон меди вокруг;
-
графитовая прокладка к корпусу;
-
при необходимости — MCPCB или радиатор.
Перед производством рекомендуется проводить тепловое моделирование (Thermal Simulation). Оно позволяет увидеть распределение температур по плате, определить «горячие точки» и оптимизировать размещение компонентов.
Моделирование особенно важно для компактных конструкций, где даже небольшой перегрев может вызвать каскадное повышение температуры соседних микросхем.
Обратитесь в Электроника+ — спроектируем плату с эффективным теплоотводом
Компания Электроника+ разрабатывает и производит электронные устройства с учётом тепловых характеристик. Мы подбираем оптимальные материалы, моделируем тепловые процессы и реализуем решения — от тепловых via до MCPCB.
Обратитесь к нам, чтобы обеспечить стабильную работу вашего оборудования и продлить срок службы компонентов.