ترمال ریلیف چیست؟
ترمال ریلیف (Thermal Relief) یا طرح حرارتی، الگویی است که در آن پد یک قطعه بهجای اتصال کامل به صفحه مس بزرگ (Plane یا Pour)، با چند بازوی باریک مسی به نام Spoke به آن وصل میشود و اطراف پد یک حلقه مسزداییشده به نام Gap یا Anti-pad قرار میگیرد. پاسخ کوتاه به «چرا»: صفحه مس بزرگ مثل یک هیتسینک عمل میکند و در لحظه لحیمکاری، حرارت را با سرعت از پد دور میبرد. نتیجهاش رسیدن نکردن محل اتصال به دمای ذوب کامل لحیم، خیسنشدن (Wetting) ناقص و ساخت اتصال سرد یا Cold Joint است. Spokeها سطح مقطع انتقال حرارت را محدود میکنند تا پد گرم بماند و لحیم بهدرستی بنشیند، بدون اینکه اتصال الکتریکی قطع شود.
یک نکته مهم از ابتدا روشن باشد: ترمال ریلیف با «مدیریت حرارتی برد» فرق دارد. اگر دنبال دفع گرمای تولیدی قطعات در حین کارکرد، Thermal Via و انتخاب وزن مس هستید، مقالهٔ مدیریت حرارتی PCB را بخوانید. اینجا موضوع ما کیفیت لحیمکاری در مرحله مونتاژ است، نه خنکسازی برد در حین بهرهبرداری؛ هرچند این دو گاهی با هم در تضاد قرار میگیرند و در ادامه همانجا خواهیم گفت.
چرا پد متصل به صفحه مس بزرگ به ترمال ریلیف نیاز دارد؟
مس یکی از بهترین رساناهای حرارتی است. وقتی پد یک پایه Through-hole یا یک پد SMD مستقیماً و بهصورت ۳۶۰ درجه به یک صفحه مس داخلی یا یک Pour بزرگ وصل باشد، هر وات حرارتی که هویه، قلع موجی یا پروفایل ریفلاو به پد میدهد، فوراً در حجم بزرگ مس پخش میشود. سه مشکل عملی از اینجا زاده میشود:
- اتصال سرد (Cold Joint) در پایههای Through-hole. در لحیمکاری موجی یا دستی، سوراخ آبکاریشده کنار صفحه مس بزرگ دمای کافی برای ذوب و بالا آمدن قلع در سوراخ را پیدا نمیکند. لحیم نیمهذوب، کدر و شکننده میشود و اتصالی با مقاومت بالا و استحکام مکانیکی کم میسازد. راهنمای Altium، اتصال سرد روی پایههای Through-hole را یکی از رایجترین نقصهای مونتاژ معرفی میکند که مستقیماً به فرار حرارت از پد مربوط است.
- سنگقبری شدن (Tombstoning) قطعات SMD. در قطعات غیرفعال کوچک مثل مقاومت ۰۴۰۲ یا ۰۶۰۳، اگر یک پد به صفحه مس بزرگ و پد دیگر به یک ترک باریک وصل باشد، دو سر قطعه با سرعت متفاوت گرم میشوند. سمت دیرتر ذوبشده، کشش سطحی لحیم مذاب سمت زودتر ذوبشده را برنده میشود و قطعه بلند شده و عمودی میایستد. ترمال ریلیف با متوازنکردن جرم حرارتی دو پد، این نقص را کم میکند.
- تنش حرارتی و کیفیت ناپایدار در تولید انبوه. اختلاف دمای موضعی روی برد در وان لحیم یا کوره ریفلاو، ریسک تاببرداشتن و جدایش لایه را بالا میبرد و پروفایلگیری فرآیند را سختتر میکند. وقتی رفتار حرارتی پدها یکدست باشد، نتیجهٔ لحیمکاری تکرارپذیرتر است و نرخ نقص در تیراژ پایین میآید.
با ترمال ریلیف، حرارت در ناحیه پد «حبس» میشود: Spokeها بهاندازه کافی مس برای عبور جریان دارند، ولی سطح مقطعشان آنقدر کم است که صفحه مس نتواند گرمای فرآیند لحیمکاری را ببلعد.
چه پدهایی به ترمال ریلیف نیاز دارند و کدامها نه؟
برخلاف تصور رایج، ترمال ریلیف یک قاعده «همهجا» نیست. بر پایه راهنمای طراحی Altium:
ترمال ریلیف لازم است وقتی:
- پایه Through-hole یک قطعه به صفحه زمین یا توان (Plane) در لایه داخلی وصل است؛ این مهمترین و رایجترین مورد است.
- پد SMD روی یک Pour مسی بزرگ در همان لایه نشسته است (Padهای Mask-defined روی نواحی مسی وسیع).
- Pour مسی روی لایه سطحی آنقدر بزرگ است که عملاً نقش Plane دارد.
ترمال ریلیف لازم نیست وقتی:
- پد به یک Pour خیلی کوچک وصل است؛ تکه مس کوچک شبیه یک ترک عمل میکند و حرارت چندانی نمیکشد.
- بحث Viaهاست. گذاشتن ترمال ریلیف روی Via که به Pour یا Plane وصل است ارزشی ندارد؛ اگر پد SMD به ریلیف نیاز دارد، ریلیف را روی خود پد بگذارید نه روی Via.
- اتصال به ترک باریک شبیه Pour است و جرم مس کافی برای مشکلسازی ندارد.
- گرمایش برد در فرآیند کاملاً یکنواخت تضمین شده باشد.
نوع فرآیند لحیمکاری هم مهم است. در ریفلاو، چون کل برد با پروفایل کنترلشده گرم میشود، کمتر به ترمال ریلیف همهجانبه نیاز دارید؛ اما در لحیم موجی (Wave Soldering) و بهویژه لحیمکاری دستی، صفحه مس بزرگ بیرحمانه حرارت نوک هویه یا موج قلع را میکشد و ریلیف عملاً ضروری است. منابع صنعتی برای لحیم موجی استفاده از ترمال ریلیف را اکیداً توصیه میکنند، چون علاوه بر اتصال سرد، از تنش حرارتی موضعی و تاببرداری برد هم کم میکند.
قواعد طراحی Spoke و Gap
Spoke بازوی مسی بین پد و Plane است و Gap (که در لایههای داخلی Anti-pad هم گفته میشود) حلقهٔ عایق اطراف پد که Spokeها آن را قطع میکنند. قواعد عملی که در اکثر طراحیها جواب میدهد:
تعداد و عرض Spoke
- الگوی رایج، اتصال چهار بازو (چهارجهته) است؛ برای پدهای بزرگتر یا جریانهای بالاتر، شش بازو هم استفاده میشود. الگوی ضربدری ساده برای بیشتر قطعات کافی است.
- عرض Spoke در نتهای سیگنالی معمولاً حدود ۰٫۲ تا ۰٫۳ میلیمتر و در نتهای توان حدود ۰٫۴ تا ۰٫۶ میلیمتر انتخاب میشود (اعداد رایج صنعتی، بسته به جریان و وزن مس).
- قاعده سرانگشتی Altium برای اکثر قطعات: Spoke با عرض ۸ میل (حدود ۰٫۲ میلیمتر) و Clearance ده میل (حدود ۰٫۲۵ میلیمتر).
- هرگز Spoke را نازکتر از حداقل عرض ترک قابل ساخت کارخانه (Etch limit) نگیرید. Spoke نازک هم در اثر جریان گرم میشود و هم در فرآیند ساخت شکننده است.
فاصلهٔ Gap تا Plane
- برای بردهای FR-4 معمولی، فاصلهٔ حلقهٔ عایق اطراف پد تا مس Plane معمولاً ۰٫۲۵ تا ۰٫۴ میلیمتر است؛ با وزن مس سنگینتر باید این فاصله کمی بیشتر شود تا ریلیف واقعاً کار کند و لبههای مس هم زیر حد اچ برده نشوند.
- Gap خیلی باریک، پل لحیم و ریسک اتصال کوتاه به Plane مجاور میسازد؛ Gap خیلی پهن، فضای Routing اطراف پد را میخورد و در بردهای متراکم جا را تنگ میکند.
وزن مس و جرم حرارتی
مس ضخیمتر، حرارت را سریعتر میکشد. روی بردهای ۲oz و سنگینتر (که انتخاب وزن مس در راهنمای ضخامت برد و ضخامت مس بررسی شده)، یا باید Spokeها را پهنتر و بیشتر کنید یا بپذیرید که ریلیف استاندارد ۱oz برای حذف کامل اتصال سرد کافی نیست. پد بزرگ هم همینطور: هرچه پد بزرگتر، جرم حرارتی بیشتر و نیاز به ریلیف جدیتر.
زاویهٔ Spoke و Routing اطراف
اگر ترکهای خروجی از پد دقیقاً در امتداد Spokeها باشند، جهت ورود حرارت و مس یکدست نمیماند. در طراحیهای متراکم بهتر است زاویهٔ Spokeها با جهت ترکهای سیگنال تداخل نکند؛ بسیاری از ابزارهای CAD امکان چرخش زاویهٔ ریلیف را برای هر پد میدهند.
تأثیر ترمال ریلیف بر اتصال الکتریکی
ترمال ریلیف یک مصالحه است: کیفیت لحیمکاری بهتر در برابر سطح مقطع مس کمتر. چهار Spoke با عرض ۰٫۳ میلیمتر روی مس ۱oz، سطح مقطع خیلی کمتری نسبت به اتصال ۳۶۰ درجه دارد و همین یعنی:
- مقاومت بیشتر و افت ولتاژ (IR Drop). در نتهای پرجریان، مجموع عرض Spokeها باید با جریان عبوری متناسب باشد، وگرنه خود Spokeها گرم شده و افت ولتاژ تغذیه بالا میرود. ابزارهای Power Integrity همین IR Drop را نشان میدهند؛ بهتر است قبل از نهاییکردن طراحی شبیهسازی شود تا بعد از مونتاژ.
- محدودیت جریاندهی. برای مسیرهای توان بالا، اتصال کامل (Solid Connection) ظرفیت جریان بیشتری دارد و اغلب انتخاب درست است؛ بهقیمت سختتر شدن لحیمکاری و ریسک اتصال سرد که باید با فرآیند مناسب یا Viaهای متعدد جبران شود.
- رفتار فرکانس بالا. در برخی مدارهای RF، اتصال مستقیم و کمامپدانس پد به Plane زمین ترجیح دارد و ریلیف، اندوکتانس و خازن پارازیتی ناخواسته به مسیر اضافه میکند. نقطه مقابلش این است که در بعضی طراحیها ریلیف اثر خازن پارازیتی پد بزرگ روی Plane را کم میکند؛ تصمیم نهایی به توپولوژی مدار و فرکانس کاری برمیگردد و باید با شبیهسازی یا قضاوت مهندس RF گرفته شود.
استثنای مهم: Viaهای حرارتی. زیر پدهای Exposed Pad قطعات توان، آرایهای از Thermal Via گرما را به لایههای مسی و پشت برد منتقل میکند. روی این Viaها هیچوقت ترمال ریلیف نگذارید؛ هدف در آنجا حداکثر رسانش حرارتی است و اتصال باید Solid باشد. اشتباه گرفتن «ریلیف برای لحیمکاری» با «Via برای دفع حرارت» یکی از خطاهای طراحی در بردهای توان است.
جدول تصمیم سریع
| موقعیت | انتخاب توصیهشده | دلیل |
|---|---|---|
| پایه Through-hole متصل به Plane زمین/توان | ترمال ریلیف | جلوگیری از اتصال سرد در لحیم موجی و دستی |
| پد SMD روی Pour بزرگ سطحی | ترمال ریلیف | توازن حرارتی دو پد، کاهش Tombstoning |
| پد متصل به Pour کوچک یا ترک | اتصال عادی | جرم مس کم است و حرارت فرار نمیکند |
| Via متصل به Plane | بدون ریلیف | ریلیف روی Via ارزشی ندارد؛ اگر لازم است روی پد بگذارید |
| مسیر توان پرجریان | اتصال کامل یا Spokeهای پهن/زیاد | ظرفیت جریان و IR Drop مهمتر از سهولت لحیمکاری |
| Thermal Via زیر Exposed Pad | اتصال Solid | هدف رسانش حرارتی حداکثری است |
| پد تست و سوراخ نصب مکانیکی | اتصال کامل | پایداری مکانیکی اولویت دارد |
| لحیمکاری دستی قطعات SMD غیرفعال | ترمال ریلیف | کنترل حرارت هویه سخت است و ریلیف خطا را کم میکند |
چکلیست قبل از ارسال Gerber
قبل از خروجی گرفتن و ثبت سفارش ساخت، این موارد را کنترل کنید:
- همهٔ پایههای Through-hole متصل به Plane ریلیف دارند و هیچ پد Plane-connected بهصورت سهوی Solid یا سهوی ایزوله (بدون Spoke) نمانده است.
- عرض Spoke از حداقل عرض ترک قابل ساخت کارخانه کمتر نیست و Gap از حداقل Clearance فاصله دارد.
- در نتهای توان، مجموع سطح مقطع Spokeها با جریان مطابقت دارد؛ در غیر این صورت ریلیف را پهنتر یا Solid کنید و ریسک لحیمکاری را با فرآیند مونتاژ هماهنگ سازید.
- Thermal Viaها Solid هستند و قاعدهٔ ریلیف بهاشتباه رویشان اعمال نشده است.
- در لایههای Plane فایل Gerber، الگوی ریلیف بهدرستی دیده میشود؛ یعنی Anti-pad و Spokeها دقیقاً همان چیزی است که در CAD intended بوده. این مورد را حتماً در یک Gerber Viewer بررسی کنید، چون لایههای Plane خروجی معکوس (Negative) دارند و اشتباه در آنها چشم را میزند.
- اگر ناحیهای باید حتماً Solid باشد، در Fabrication Note قید کنید تا ابهامی برای سازنده نماند.
برای کنترل خودکار این موارد و صدها قاعده ساخت دیگر، میتوانید فایل را در ابزار بررسی فایل Gerber بردیفای بگذارید تا قبل از قیمتگیری و تولید، اشکالهای لایهای را ببینید. قواعد کلی طراحی برای ساخت را هم در مقالهٔ قواعد DFM قبل از Routing مرور کردهایم؛ Viaهای اتصال به Plane و دوخت صفحه زمین هم در راهنمای انواع Via مفصل آمده است.
جمعبندی
ترمال ریلیف یک الگوی ساده با هندسهای کوچک است، ولی نبودنش به شکل نقصهای بزرگ مونتاژ خودش را نشان میدهد: اتصال سرد پایههای Through-hole، سنگقبری شدن قطعات SMD و ناپایداری فرآیند در تیراژ. قواعد کار را میشود در چند خط خلاصه کرد: روی پدهای متصل به Plane و Pour بزرگ ریلیف بگذارید، Spokeها را نه نازکتر از حد اچ و نه باریکتر از نیاز جریان انتخاب کنید، Gap را در بازه ۰٫۲۵ تا ۰٫۴ میلیمتر نگه دارید، و در مسیرهای پرجریان و Thermal Viaها آگاهانه اتصال Solid را انتخاب کنید. در نهایت، فایل Gerber را با دقت در لایههای Plane بازبینی کنید تا چیزی که در CAD قصد کردهاید دقیقاً همان چیزی باشد که ساخته میشود.