So entwirft man Leiterplatten mit Wärmefallen

Vor einiger Zeit las ich, dass ältere Arbeitskollegen Eddie Rickenbacker als jungem Mann einen Streich spielten. Sie schickten ihn auf die Suche nach einem Werkzeug, das es nicht gibt. Rickenbacker wurde in den 1900er Jahren ein Autorennfahrer, ein Automobildesigner, ein amerikanisches Fliegerass im Ersten Weltkrieg, Berater der Regierung und schließlich Vorstand der Eastern Airlines. Doch als junger Auszubildender in einem KFZ-Betrieb musste er wie alle anderen auch zuerst die Grundlagen seines Berufes erlernen. Er tat dies, indem er viele Fragen stellte.

Als Berufseinsteiger im PCB-Design, haben Sie wahrscheinlich auch viele Fragen. Gut so. Fragen Sie. Trotzdem, so meine Beobachtung, halten sich neue Designer bei manchen Themen mit ihren Fragen sehr zurück. Der Grund dafür ist, dass ihnen diese Fragen zu einfach, grundlegend, ja banal erscheinen, um angesprochen zu werden. Wärmefallen sind so ein grundlegender Punkt.

Was sind Wärmefallen und wozu braucht man sie? Wann setze ich sie ein? Wie erzeuge ich sie? Wenn Ihnen diese Fragen beim Leiterplattendesign im Kopf herumschwirren, dann lesen Sie weiter. Ich gebe mein Bestes, um Ihnen einen Überblick zu verschaffen, damit Sie loslegen können. Keine Angst. Ich schicke Sie nicht auf die Suche nach einem Schraubenschlüssel für Linkshänder wie Rickenbackers Kollegen.

^{Einige Beispiele von Wärmefallen für negative Flächen}

Was ist eine Wärmefalle?

Eine mehrlagige Leiterplatte hat interne Stromversorgungs- und Masseebenen. Diese internen Ebenen werden im CAD-System oft als negative Flächen erzeugt. Eine negative Fläche ist das Kehrbild dessen, was schließlich produziert wird. Sie stellen praktisch metallfreie Bereiche graphisch dar und dienen dazu, Aussparungen um Löcher herum zu erzeugen, die nicht mit der Fläche verbunden sind. Man verwendet eine Wärmefalle, um das Loch mit der Ebene zu verbinden, doch ist die Metallfläche der Verbindung durch Verbindungsstege und Aussparungen begrenzt. Wichtig ist dies beim Löten von Durchsteckbauteilen.

Sind die Anschlussdrähte eines Durchsteckbauteils direkt ohne Wärmefalle mit einer internen Stromversorgungs- oder Massefläche verbunden, kann die Metallfläche während des Lötens als Kühlfläche wirken. Der große Metallanteil einer Fläche sorgt dafür, dass die Wärme abgeführt wird, und es länger dauert, bis das Lot wieder aufschmilzt. Da das Löten mancher Bauteilanschlüsse länger dauert, ist das korrekte Verlöten aller Bauteilanschlüsse unter Umständen schwierig.  Eine mögliche Folge sind schwache Lötverbindungen, die irgendwann rissig werden, und dazu führen, dass der Kontakt unterbrochen bzw. die Verbindung nicht mehr geschlossenen ist.

Um dem entgegenzuwirken, setzt man auf negativen Flächen eine Wärmefalle ein. Die Wärmefalle erzeugt kleine Metallaussparungen rund um das Loch, sodass die Verbindung über schmale Metallstege hergestellt ist. Da sich die Verbindung auf die Stege beschränkt, ist der Wärmekontakt zur restlichen Fläche geringer. Dadurch wird es möglich, dass sich Stromversorgungs- oder Masseleitung eines Durchsteckbauteils gleich schnell erwärmen und verlöten wie die anderen Anschlüsse des Bauteils.

^{Das Arbeiten mit Wärmefallen in negativen Flächen muss keine Negativerfahrung sein}

Wann sollte ich eine Wärmefalle beim Design von Leiterplatten verwenden?

Eine Wärmefalle sollte immer verwendet werden, wenn der Anschlussdraht eines Durchsteckbauteils mit einer negativen Fläche verbunden wird. Anzahl und Breite der Verbindungsstege einer Wärmefalle richten sich nach den Anschlusswerten für den Stift. So braucht zum Beispiel ein Stromversorgungseingang, der eine 40 Mil Leiterbahn benötigt, eine Wärmefalle mit vier 10 Mil breiten Verbindungsstegen.

Eine weitere immer wieder gestellte Frage ist, ob Durchkontaktierungen Wärmefallen benötigen. Denken Sie daran, dass der Zweck einer Wärmefalle darin besteht, dem wärmeableitenden Verhalten von Durchsteckanschlüssen, die mit internen Ebenen verlötet werden, entgegenzuwirken. Da in eine Durchkontaktierung keine Anschlussdrähte hineingelötet werden, ist hier normalerweise keine Wärmefalle nötig

Wie erstellt man eine Wärmefalle?

In alten CAD-Systemen mussten Wärmefallen manuell angelegt werden. Während meiner beruflichen Laufbahn habe ich tausende Wärmefallen mittels Bögen, Linien und Polygonen konstruiert. Obwohl viele CAD-Systeme auch heute noch diese Möglichkeit bieten, wird davon kaum mehr Gebrauch gemacht, es sei denn, es wird eine kundenspezifische Wärmefalle verlangt.

In den meisten modernen CAD-Systemen werden Wärmefallen durch Regeln erzeugt. Es wird ein Menü bereitgestellt, über das Sie die Kontur der Lötfläche (rund oder quadratisch), die Rotation des Lötfläche sowie die Anzahl und Breite der Verbindungsstege festlegen. Diese Regeln können danach auf bestimmte Stifte, Teile, Lagen, Netze oder Netzklassen übertragen werden. Sie werden normalerweise die Fähigkeit haben, mehrere Regeln für verschiedene Situationen aufzustellen und dann eine Priorität für diese Regeln zu setzen.

Wärmefallen sind ein größeres Thema, als Sie vielleicht ursprünglich dachten. Wir haben hier zwar nur die Grundlagen behandelt, doch damit haben Sie eine gute Ausgangsposition. Wenn Sie verstehen, wie CAD-Tools mit Wärmefallen arbeiten, haben Sie den Schlüssel zum erfolgreichen Umgang mit ihnen in der Hand.

PCB-Designsoftware wie Altium Designer gibt Ihnen eine umfangreiche regelbasierte Funktionsvielfalt für die Erzeugung und Nutzung von Wärmefallen in die Hand. Zusätzlich wird die neue und verbesserte erweiterte Designumgebung von Altium Designer 18 Sie dabei unterstützen, alle Aspekte Ihres nächsten PCB-Designs erfolgreich zu meistern.

Möchten Sie gern mehr darüber erfahren, inwiefern Altium Sie bei PCB-Designanforderungen unterstützen kann? Wenden Sie sich an einen Experten von Altium.