Leiterplatten-Temperatur überhitzt sich nicht mit Smart-Checking-Design-Software

Zachariah Peterson
|  Erstellt: April 9, 2020  |  Aktualisiert am: November 14, 2020

Die Integrität der Leiterplatte kann beeinträchtigt werden, ohne dass der Designer bewusst Hochtemperatur-Leiterplattenbereiche abschwächen muss. Wärmemanagement kann dazu beitragen, dass Ihre Leiterplatte nicht in Brand gerät.

ALTIUM DESIGNER

Die richtige Leiterplatte-Design-Software wird bei Hochgeschwindigkeits-Designs und darüber hinaus einen großen Beitrag leisten.

Die Betonung auf das Erzielen kleinerer Produktabdrücke hat die Entwicklung von mehrschichtigen Leiterplatten zu höheren Komponentendichten geführt. Infolgedessen ist die Anwendung von besseren thermischen Designtechniken zu einer Priorität geworden. Höhere Betriebstemperaturen können zu mechanischen Spannungen für die Leiterplatte führen, die zu Rissen und unterbrochenen oder fehlgeschlagenen Verbindungen führen, wenn sich die Schichten erwärmen und abkühlen. Beim thermischen Design ist es wichtig zu verstehen, wie die Wärme erfolgt, wie verschiedene Komponenten und Schichtmaterialien auf Wärme reagieren und wie die Wärme ordnungsgemäß von der Leiterplatte abgeführt wird.

Hohe Temperaturen können die Integrität der Schicht beschädigen

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), ausgedrückt als Teile pro Million pro Grad Celsius (ppm / ºC), beschreibt, wie sich eine Leiterplatte beim Erwärmen oder Abkühlen ausdehnt. Um dies in die richtige Perspektive zu bringen, dehnen sich Leiterplatten mit zunehmender Temperatur in Länge, Breite und Dicke aus. Ein übliches FR-4-Laminat dehnt sich beispielsweise um 14 bis 17 ppm / ºC aus. Wenn wir die Laminat-Ausdehnungsrate mit der Ausdehnungsrate für Komponenten wie Isobutans oder BGAs vergleichen, besteht ein erheblicher Unterschied zwischen den Ausdehnungsraten der Komponenten und der Laminatmaterialien. Die Ergebnisse des Unterschieds werden als unterbrochene Verbindungen oder Schaltungsinstabilität sichtbar. Wenn das Laminat und das Bauteil ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, dehnen sich beide aus und ziehen sich zusammen, ohne dabei Schäden zu verursachen.

Die mit Bauteilen verwendete Kunststoffverpackung weist eine hohe Wärmebeständigkeit auf. Als Ergebnis wird Wärme auf die freiliegende Kupferfläche der Leiterplatte übertragen. Aufgrund der Gefahr von Schäden an Stellen mit geringerem Wärmewiderstand liefert Altium Designer hochwertige Informationen zu Materialien für die Wärmeschnittstelle und zur korrekten Platzierung von Kühlkörpern. Durch thermisches Verbinden des Kühlkörpers mit der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte von einer an der Oberfläche montierten Komponente wird die Temperatur des Systems in Toleranz gehalten. In einigen Fällen können Hersteller jedoch Pakete herstellen, bei denen der Kühlkörper an der Oberseite der Komponente befestigt werden muss.

Wählen Sie das richtige Wärmeleitmaterial für Ihre Leiterplatte

Altium Designer verwendet Bauteilinformationen und Analysetools, um die Verwendung von thermischen Entlastungsmustern und -tropfen zu bestimmen, um die Verbindungen von Leiterbahn zu Kontaktstelle, von Leiterbahn zu Durchgang und von Leiterbahn zu Leiterbahn zu verstärken. Altium Designer bietet das richtige thermische Entlastungsmuster für alle Durchgänge oder Löcher, die an eine Stromversorgungsebene oder Massefläche angeschlossen sind. Die thermischen Entlastungen leiten Wärme von Bauteilen ab, indem sie thermisch mit benachbarten Kupferebenen verbunden werden.

Die Wärmeübertragung durch ein freiliegende Kontaktstelle zeigt, dass die Wärmeübertragung an der Leiterplatte maximal ist. Beim Entwerfen Ihrer Leiterplatte hilft Altium Designer bei der Bestimmung des Wärmewiderstands der Leiterplatte. Da Altium Designer die Wege ermittelt, die Wärme benötigt, um von einer Komponentenverbindung zur Umgebungsluft zu gelangen, definiert er die thermischen Leistungsparameter für jede Schicht Ihrer Leiterplatte. Von dort aus können Sie Altium Designer verwenden, um die Elektrische Regelprüfung (ERC) und Designregelprüfiung (DRC) für Ihre Leiterplatte einzurichten und um zu überprüfen, ob Ihre Leiterplatte alle festgelegten thermischen Design-Beschränkungen erfüllt.

Tropfen reduzieren die mechanischen und thermischen Spannungen, indem sie Kupfer dort abstützen, wo die Leiterbahnen die Kontaktstellen verbinden.(Alt text: Tropfenoptionen in Altium Designer für Leiterbahnenhttps://drive.google.com/open?id=1ufpV9D45h5qa3JSAGTM3lphyaCSYeZ1T

Verwenden Sie die besten Verfahren im thermischen Design

Hochleistungs-Leiterplattendesigns erzeugen Wärme und erfordern daher die besten Verfahren, die eine Wärmeableitung ermöglichen. Zu diesen bewährten Methoden gehört die Reduzierung des thermischen Widerstands zwischen Gehäuse und UmgebungƟCAfür integrierte Schaltungen in Ihrem Leiterplatten-Design. Die Kontrolle des Wärmewiderstands durch geeignete Ableitungsverfahren erhöht die Zuverlässigkeit Ihrer Leiterplatte.

Ein gutes thermisches Design und die geeigneten thermischen Schnittstellenmaterialien für Leiterplatten können die Zuverlässigkeit verbessern und Schäden an Komponenten sowie an der Leiterplatte vermeiden. Der Weg, der zu einem guten thermischen Design führt, beinhaltet jedoch häufig eine mathematische Analyse der Strömungsdynamik für komplexe Geometrien. Anstatt zu versuchen, diese Analyse durchzuführen, können Sie sich auf die von Altium Designer bereitgestellten Analysen verlassen, um zu definieren, welche Materialien und Methoden für die thermische Kontrolle am besten geeignet sind. Die von Altium Designer bereitgestellten Analysen berücksichtigen das thermische Design schon früh im Leiterplattendesignprozess.

Sie können beispielsweise ein Redesign nach der Post-Layout-Phase vermeiden, indem Sie die PI-DC-Analyse (Gleichstrom-Integrität) in der PDN-Analysator -Anwendung (Stromversorgungsnetzwerk-Analysator) verwenden, um Ihr Design für die geringste Stromdichte und den geringsten Spannungsabfall zwischen den Quellen und allen Lasten zu optimieren. Der PDN-Analysator stellt sicher, dass die Ebenen, Leiterbahnen und Durchgänge auf einer Leiterplatte die Größe und die Eigenschaften haben, die erforderlich sind, um den Stromverbrauch der auf der Leiterplatte montierten Komponenten zu erfüllen. Die Aufrechterhaltung der Integrität des Gleichstrom-Layouts und die Optimierung Ihres Designs verringern die Möglichkeiten für thermische Probleme.

Altium Designer und PDN-Analysator stellen die Tools bereit, die zur Identifizierung der Problemkomponenten benötigt werden

Mit Altium Designer haben Sie Zugriff auf die Informationen zum Wärmewiderstand von mehr als 300.000 Komponenten sowie empfohlene Richtlinien, Verfügbarkeit und Kostenschätzungen. Ihr Zugriff auf die Komponentenbibliotheken bietet Verlustleistungswerte für die Komponenten und ermöglicht es Ihnen, Bedenken bezüglich thermischer Eigenschaften direkt zu bearbeiten und den Komponenten hinzuzufügen. Mit PDN-Analysator - einer herunterladbaren Altium Designer-Erweiterung - können Sie alle physikalischen und elektrischen Informationen aus dem Leiterplatten-Design extrahieren.

In der PDN-Analysator -Anwendung gefundene Tools identifizieren Hotspots während der Platzierung von Komponenten und generieren basierend auf den Verlustleistungswerten der Komponenten eine Wärmekarte. Anschließend können Sie Annäherungen des realen Temperaturprofils für jede Komponente verwenden, um die thermischen Wechselwirkungen des Stromkreises zu berücksichtigen.

Hochleistungs-Hochfrequenz-Leistungsverstärker erzeugen Wärme, die Geräteverbindungen oder aktive Geräte in der Nähe der Verstärker beschädigen kann. Altium Designer hilft auch beim Platzieren von Komponenten für die gleichmäßige Verteilung der Wärme auf der Leiterplatte. Mit der korrekten Platzierung der Komponenten kann Ihre Leiterplatte auf der Oberfläche montierte Leistungskomponenten mit Energie versorgen.

Mit dem PDN-Analysator von Altium Designer können Sie Ihre Designs unendlich zuverlässiger machen. Alt text: Screenshot des PDN-Analysators von Altium Designer mit einem Leiterplatten-Designhttps://drive.google.com/open?id=1_0wUqs1kbA4S7v9Lg_z-Q2kSAuRpzP8e

Bequemer Leiterplatten-Editor ermöglicht die fehlerfreie Ausführung von Designs

Außerdem unterstützt Altium Designer Sie bei der Auswahl von Materialien mit niedrigem CTE-Wert für Ihre Hochtemperaturanwendung. Mit dem Schichtstapel- Manager von Altium können Sie Dielektrika auswählen, die die richtige Glasübergangstemperatur (Tg), die Dielektrizitätskonstante des Laminats (Dk) und den Verlustfaktor (Df) für Ihre Anwendung haben. Zum Beispiel erfordern Hochtemperatur-Leiterplatten eine Tg von mehr als 170 ° C und sollten eine kontinuierliche thermische Belastung mit einer Betriebstemperatur von etwa 25 ° C unter der Tg aushalten. Die Schichtstapel-Tabelle im Schichtstapel-Manager gibt die Material- und mechanischen Anforderungen für jeden Schichttyp an. Wenden Sie sich immer an den Leiterplattenhersteller, um die richtigen Materialien und Eigenschaften für Ihr Leiterplatten-Design auszuwählen.

Die Design-Integration von Altium Designer vom Schaltplan zum Layout sorgt für Solidarität

Der Leiterplatten-Editor von Altium Designer bildet die Grundlage für Designregeln. Sie können den Editor dazu aufstellen, Designregeln festzulegen, die:

  • von Objekten getrennt bleiben
  • als Ziele im Sinne eines flexiblen Abfragesystems arbeiten
  • auf jede Designsituation angewandt werden können
  • Prioritäten haben
  • das erforderliche Verhalten eines Objekts definieren, und
  • die Interaktion zwischen zwei Objekten bestimmen.

Mit einem Editor für smarte Regeln und Einschränkungen können Sie alles vom Leiterplatten-Material bis hin zu den Auswirkungen, die das Löten und das Aufschmelzen auf Ihr Design haben können, verwalten. Darüber hinaus ist die Überprüfung der Designregeln nur ein Teil des Prozesses, der es Ihnen ermöglicht, nahtlos vom Schaltplan über das Layout zur Produktion zu gelangen

.

Die Lösung thermischer Designprobleme erfordert einen methodischen Ansatz in Kombination mit verschiedenen Analyseebenen. Altium Designer und der PDN-Analysator reduzieren die Komplexität des thermischen Designs durch Tools wie umfangreiche Komponentenbibliotheken und Simulationen.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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