כשמחפשים "pad thermal" תמצאו תוצאות על חומרי ממשק תרמיים (TIMs), על רפידות תרמיות חשופות מתחת למארזי IC, וגם על Thermal Relief בתכנון לוחות מעגל מודפס (PCB). הבלבול טבעי – המונח “thermal pad” מקבל משמעויות שונות בהקשרים הנדסיים שונים.
המאמר הזה עושה סדר. בין אם אתם בוחרים בין רפידה תרמית ל-משחה תרמית, עובדים עם רפידה חשופה במארזי IC, או משפרים יכולת הלחמה של רגליים המחוברות למשטחי מסה גדולים – כאן תקבלו את ההכוונה המתאימה.
רפידות תרמיות כחומרי ממשק תרמיים (TIMs)
Pad Thermal / רפידה תרמית היא חומר רך ומוליך חום המונח בין רכיב פולט חום לבין צלע קירור או שלדת המכשיר.
המטרה: למלא רווחי אוויר מיקרוסקופיים ולשפר את מגעי השטח, כדי שהחום יזרום ביעילות אל משטח הקירור.
האוויר מוליך חום ברמה ירודה. גם משטחים "חלקים" כוללים חספוס זעיר הלוכד אוויר ומגדיל את ההתנגדות התרמית. רפידה תרמית מתעוותת קלות תחת לחץ, מחליפה את האוויר בחומר מוליך יותר ויוצרת מסלול חום יציב ואמין.
שימושים נפוצים
- מעבדים (CPU), כרטיסי מסך (GPU) ומייצבי מתח (VRM)
- ווסתי/ממירי הספק
- מודולי LED ומנהלי תאורה
- יחידות בקרה לרכב
- אלקטרוניקה תעשייתית ותקשורת הספק
סוגים נפוצים של רפידות תרמיות
- סיליקון – הנפוץ ביותר; גמיש, מבודד חשמלית ובעל ביצועים תרמיים טובים.
- גרפיט/פחמן – דקים ובעלי מוליכות גבוהה מאוד, אך דורשים משטחים נקיים וחלקים; לרוב אינם מבודדים חשמלית.
- נטול-סיליקון – למערכות רגישות (אופטיקה/חיישנים/רפואה) בהן פליטת סילוקסנים אינה רצויה.
מפרטים חשובים ל-Pad Thermal
1) מוליכות תרמית (W/m·K)
ערך גבוה יותר טוב עקרונית, אך הביצועים בפועל תלויים גם ביישור המשטחים, דחיסה ולחץ הצמדה. בפועל רפידה של 5 W/m·K המותקנת היטב עשויה לגבור על רפידה של 10 W/m·K שהותקנה לא נכון.
2) עובי לעומת רווח
המיתוס "עבה יותר = טוב יותר" שגוי: עובי רב מוסיף התנגדות תרמית פנימית.
בחרו את העובי הדק ביותר שממלא את הרווח המכני עם דחיסה קלה – לרוב 10–20% מעל הרווח הנמדד.
3) קשיות ודחיסות
רפידה רכה מסתגלת טוב יותר לאי-אחידות אך עלולה "להישפך". רפידה קשה שומרת על צורתה אך דורשת משטחים חלקים. לשימוש כללי מתאים לעיתים טווח Shore 00 כ-40–60.
4) בידוד חשמלי וטווח טמפרטורות
אם הרפידה בין מוליכים – בדקו חוזק דיאלקטרי (בד"כ > 3 kV/mm). ודאו גם את טווח העבודה – בעולמות רכב/הספק נדרש לא פעם 125–150°C.
רפידה תרמית לעומת משחה תרמית – מה עדיף?
שני הפתרונות משפרים את מעבר החום בין רכיב לצלע קירור, אך שונים בביצועים, עקביות ותחזוקה.
השוואה מהירה
- יישום: רפידה – חתוכה ונקייה; משחה – דורשת מריחה קפדנית.
- מילוי רווחים: רפידה – בינוני עד גבוה; משחה – נמוך (לרווחים דקים וחלקים מאוד).
- חזרתיות בייצור: רפידה – עקבית מאוד; משחה – תלויה בתהליך/מפעיל.
- שימוש חוזר: רפידה – לעיתים אפשרי אם נשמרה; משחה – להסיר ולמרוח מחדש.
- בידוד חשמלי: רפידה – לרוב מבודדת; משחה – בדרך כלל לא.
- שיא ביצועים תרמיים: משחה – התנגדות נמוכה יותר (מעולה ל-CPU).
- תחזוקה: רפידה – פשוטה; משחה – מלכלכת וגוזלת זמן.
האם רפידות תרמיות טובות יותר ממשחה תרמית?
תלוי במקרה.
בחרו רפידה תרמית כאשר:
- יש רווחים גדולים יותר או משטחים לא אחידים,
- דרוש בידוד חשמלי,
- נדרשת הרכבה נקייה וחוזרת בייצור,
- חשובה יציבות ארוכת טווח (ללא ייבוש/Pump-out).
בחרו משחה תרמית כאשר:
- המשטחים שטוחים מאוד והרווח זעיר,
- צריך מוליכות תרמית מקסימלית,
- ניתן לבצע יישום מדויק ותחזוקה תקופתית.
בשורה התחתונה:
רפידות תרמיות נקיות, עקביות ומתאימות לייצור סדרתי; משחה תרמית מעניקה טמפרטורות מעט נמוכות יותר כאשר הגאומטריה אידאלית.
טעויות נפוצות
- בחירת רפידה עבה מדי (מעלה טמפרטורה).
- לחץ הצמדה נמוך → מגע לקוי.
- בלבול בין רפידה תרמית, רפידה דביקה וסרט דו-צדדי תרמי.
- שימוש במשחה במקום שבו רפידה מתאימה יותר (למשל VRAM או IC הספק).
רפידת IC תרמית (Exposed Pad)
ברבות מחבילות ה-SMD כמו QFN/DFN קיימת מתחת למארז פלטת מתכת גדולה – Exposed Thermal Pad / die pad.
חייבים להלחים את הפד הזה ל-PCB כדי לפנות חום כראוי ולהבטיח יציבות מכנית.
למה זה חשוב?
ה-Exposed Pad יוצר מסלול חום בעל התנגדות נמוכה מהשבב לנחושת בלוח.
ללא הלחמה ייווצרו כיסי אוויר → הולכת חום ירודה, תקלות או סחיפה תרמית. נתוני ההתנגדות התרמית בדפי הנתונים מניחים תמיד שהפד מולחם היטב.
חיבור חשמלי
בדקו היטב את Datasheet: פעמים רבות הפד מחובר ל-GND, אך יש חבילות בהן הוא מחובר לרשת אחרת או "צף". אל תנחשו – חיבור שגוי עלול לגרום לקצרים או לבעיות EMI.
טיפים לתכנון PCB
- גודל הפד: התאימו את Land בלוח לגודל הפד במארז.
- וייות תרמיים (Thermal Vias): השתמשו ב-Vias קטנים (≤ 0.3 מ"מ) תחת הפד להעברת חום לשכבות הפנימיות/האחוריות.
- סטנסיל: אל תציפו את הפד במשחת הלחמה; השתמשו בתבנית "חלונות" (Window-Pane) כדי למנוע ציפה בזמן ריפלואו.
- חללים (Voids): שאפו ל-<~50% חללים לשיפור המגע התרמי.
פד מולחם היטב יכול להפחית כמעט בחצי את ההתנגדות התרמית מצומת-השבב ללוח.
Thermal Relief ב-PCB
בייצור, משטחי נחושת גדולים (כמו GND) מקשים על הלחמה משום שהם שואבים חום.
פדים המחוברים ישירות למשטח כזה מגיעים בקושי לטמפרטורת ריפלואו. Thermal Relief Pad פותר זאת על-ידי חיבור הפד למשטח דרך "שפיצים" צרים של נחושת.
איך זה עובד?
השפיצים מקטינים את זרימת החום למשטח הגדול בזמן ההלחמה, כך שהפד מתחמם מהר יותר. לאחר ההלחמה נשמרת הולכה חשמלית/תרמית טובה, אך לא כמו חיבור מלא.
מתי להשתמש?
- פדי THT המחוברים ל-GND/Power Planes
- בלוחות המורכבים בהלחמה גלית או ידנית
- למניעת הלחמות קרות, Tombstoning וחימום לא אחיד
מתי להימנע?
- מסלולי זרם גבוה או נמוכי אימפדנס (מוסיף התנגדות לא רצויה)
- מעגלי RF שבהם לאינדוקטיביות של השפיצים יש השפעה
- רכיבי הספק הזקוקים לנחושת מוצקה להולכת חום מקסימלית
שאלות נפוצות (FAQ)
האם רפידות תרמיות טובות יותר ממשחה תרמית?
רפידות מצטיינות בעקביות הרכבה ובידוד. משחה מספקת קירור מעט טוב יותר כאשר המשטחים שטוחים לחלוטין.
האם ניתן להשתמש מחדש ברפידות תרמיות?
לפעמים, אם נשארו שלמות. לתוצאות עקביות מומלץ להחליף בעת פירוק/הרכבה מחדש.
מהי רפידה תרמית של IC?
הפלטה המתכתית החשופה תחת חלק ממארזי ה-IC (כגון QFN) שיש להלחים ל-PCB לפינוי חום – ולעיתים גם לקישור לאדמה.
מהו Thermal Relief ב-PCB?
פד המחובר למשטח נחושת דרך שפיצים צרים, כדי להאט זרימת חום ולהקל על ההלחמה.
מדוע קשה להלחים פדים המחוברים למשטח אדמה?
משטח הנחושת פועל כמסה תרמית ושואב חום. Thermal Relief מסייע לשמור על טמפרטורת הלחמה.
סיכום
המונח “Pad Thermal” כולל שלושה תחומים עיקריים:
- רפידות ממשק תרמיות לניהול חום בין רכיב לצלע קירור,
- Exposed Pads במארזי IC להעברת חום ללוח,
- Thermal Relief לשיפור הלחימות על משטחי נחושת גדולים.
הבנת ההבדלים תסייע לכם לתכנן מערכות עם ביצועים תרמיים טובים יותר וכדאיות ייצור גבוהה.
מפתחים PCB עם בקרת תרמית קפדנית?
FastTurnPCB מציעה ביקורות DFM, אופטימיזציית Exposed Pad, ופתרונות ייצור להבטחת אמינות תרמית והלחמתית.
