Einsatz von Software für thermische Simulation und Analyse in Ihrem Design-Workflow

Das PCB-Design folgt einem spezifischen Arbeitsablauf, der das Erfassen von Schaltplänen, das PCB-Layout und die Erzeugung von Ausgaben umfasst. Wo sollten thermische Analyse und Zuverlässigkeit in den standardmäßigen PCB-Designablauf einfließen? Diese Überlegungen kommen an mehreren Punkten während des Designs auf, da thermische Managementherausforderungen Zuverlässigkeitsprobleme in Komponenten und der fertigen PCBA verursachen.

Das thermische Management auf Ihrer Leiterplatte konzentriert sich darauf, Wärme von heißen zu kühlen Bereichen zu leiten, letztendlich die Temperatur zu reduzieren und eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Leiterplatte zu erzeugen. Ihre Anordnung von Komponenten, der PCB-Stackup und andere Komponenten können genutzt werden, um Wärme von einer Baugruppe wegzuleiten und in das Gehäuse zu führen, oder sie kann mit erzwungenem Luftstrom abgeführt werden. Designsoftware, die mit einem externen Feldlöser integriert ist, hilft Ihnen, Ihren PCB-Stackup zu qualifizieren und Hotspots in der PCBA während des Betriebs zu eliminieren.

ALTIUM DESIGNER

PCB-Designsoftware für fortschrittliche Elektronik, die mit vielen Drittanbieteranwendungen, einschließlich PCB-Thermoanalyse-Software, Schnittstellen bietet.

Die thermische Analyse von Leiterplatten kann mehrere Aufgaben umfassen, die darauf abzielen, den Wärmetransfer durch die Struktur der Leiterplatte zu bewerten. Dies erfordert die genaue Bestimmung, wo Wärme erzeugt wird und welche Temperaturen von Komponenten während des Betriebs zu erwarten sind, sowie das Verständnis, wie die Struktur eines Leiterplatten-Substrats den Wärmetransport unterstützen kann. Leider handelt es sich hierbei um komplexe Multiphysik-Probleme, die vollständig bewertet werden müssen und Feldlöser erfordern. Sobald Luftstrom durch die PCBA geleitet wird, kann die Wirkung des Luftstroms vor dem Prototyping nur mit CFD-Simulationen bewertet werden, etwas, mit dem nicht alle Designer vertraut sein könnten.

Designer, die Zugang zu diesen fortschrittlichen Feldlösern haben, sollten PCB-Designsoftware verwenden, die sich mit PCB-Thermoanalyse-Software innerhalb des Standard-Workflows verbinden kann. Bevor in ein PCB-Thermoanalyse-Tool exportiert wird, gibt es einige einfache Schritte, die ein Designer unternehmen kann, um die Wärmeerzeugung auf der Platine zu verwalten und einen übermäßigen Temperaturanstieg während des Betriebs zu verhindern.

Hohe Temperaturen identifizieren und heiße Komponenten verhindern

Das thermische Management von Leiterplatten konzentriert sich auf drei Hauptbereiche:

• Identifizierung von übermäßigem Temperaturanstieg in Komponenten und im Platinensubstrat
• Auswahl von Platinenmaterialien zur Wärmeübertragung und Erzeugung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
• Wärmebewegung von heißen zu kühlen Bereichen durch Luftstrom oder Leitung

Software für die thermische Analyse von PCBs kann bei diesen Aufgaben zu verschiedenen Zeitpunkten in der Entwurfsphase helfen. Der beste Zeitpunkt für den Einsatz von Software für die thermische Analyse von PCBs ist, nachdem das PCB-Layout abgeschlossen ist, aber bevor mit dem Prototyping begonnen wird. Wenn Sie jedoch einige grundlegende Analysestrategien implementieren können, bevor Sie Ihr Design in ein Programm für die thermische Analyse von PCBs exportieren, können Sie das Ausmaß eventuell erforderlicher Neugestaltungen mit einigen Best Practices für die thermische Integrität reduzieren.

Komponentenerwärmung

Ein Schritt, den Sie unternehmen können, um die thermische Analyse zu unterstützen und sicherzustellen, dass Sie alle heißen Komponenten auf der Platine identifiziert haben, besteht darin, die thermischen Widerstandswerte der Komponenten zu verwenden, um deren Betriebstemperatur zu bestimmen. Einige Komponenten werden offensichtlich bei sehr hohen Temperaturen betrieben, wie zum Beispiel große Prozessoren mit hoher I/O-Anzahl. Allerdings können auch andere kleinere Komponenten sehr heiß werden, obwohl sie innerhalb ihrer Betriebsgrenzen arbeiten können. LDOs, PMICs, MMICs und einige ASICs sind großartige Beispiele. Diese frühzeitig zu identifizieren, kann dabei helfen zu entscheiden, wo diese auf der PCB platziert werden, damit sie Luftstrom erhalten oder mit einem Wärmeableitungselement oder zurück zum Gehäuse verbunden werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese Teile nach Möglichkeit in verschiedene Bereiche zu trennen, damit sich nicht große Hotspots in einem Bereich der Platine entwickeln.

• Erfahren Sie mehr über thermische Widerstandsspezifikationen.

DC-Leistungsverlust

DC-Leistungsverlust ist ein Beitrag zur Wärmeerzeugung in einer PCB, insbesondere in der Leistungselektronik. Kleinere digitale Entwürfe und die meisten analogen Entwürfe benötigen diese Art von Simulation nicht. Allerdings müssen in der Leistungselektronik sicherstellen, dass die Leistung mit minimalen Verlusten übertragen wird, da dies dazu beiträgt, die Erwärmung zu minimieren und die Effizienz der Leistungsübertragung zu maximieren. DC-Leistungsverluste in Ihrem System können mit einer PDN-Analyse-Simulation bewertet werden, die die DC-Leistungsverteilung im PDN berechnet.

Während ein PDN-Analysator Ihnen nicht direkt die Menge an abgeführter Wärme oder die Temperatur in Ihrem PCB-Layout zeigt, wird er Ihnen anzeigen, wo wahrscheinlich Hotspots im PDN auftreten werden. Einfache Änderungen können dann vorgenommen werden, um die Integrität des Designs zu verbessern und Ausfälle auf Board-Ebene zu verhindern.

• Erfahren Sie mehr über die Verwendung des PDN-Analysators in Altium Designer.

PCB-Materialauswahl und Stackup-Design

Die Materialauswahl bei einem PCB erfordert die Auswahl eines Harz- und Härter-Systems, Materialdicke und Kupfergewicht. Die Dicke der dielektrischen Schichten zwischen heißen Kupferbereichen und benachbarten Ebenen ist ebenfalls wichtig, da sie bestimmt, wie leicht Wärme um das PCB transportiert werden kann.

• Kupfergewicht:Platinen mit höherem Kupfergewicht können einen höheren Strom bei einer gegebenen Zielgleichgewichtstemperatur aushalten.
• Harzgehalt:Prepregs mit höherem Harzgehalt neigen dazu, eine höhere thermische Leitfähigkeit zu haben. Diese Materialien können auch in einigen Leistungselektroniken, wie bei Hochspannungsplatinen, bevorzugt sein.
• Glasübergangstemperatur:Jede Platine, die großen thermischen Ausdehnungen ausgesetzt sein wird, sollte eine hohe Glasübergangstemperatur haben. Typische Hoch-Tg-Laminate erleben einen Glasübergang bei 170-180 °C.
• Ebenen und Laminatdicke platzieren: Eine Ebene näher an einem heißen Kupferbereich zu platzieren, hilft dabei, die Wärme aus dem heißeren Bereich zu entfernen und diese Wärme zu anderen Bereichen der Platine zu transportieren.

Nachdem Sie diese Spezifikationen für Laminatmaterialien ausgewählt haben, können Sie den PCB-Stackup erstellen und zur Validierung an Ihr Fertigungshaus senden. Stellen Sie sicher, dass Sie alle relevanten Materialeigenschaften von PCB-Laminaten verstehen, wenn Sie Materialien auswählen.

• Erfahren Sie mehr über die Materialeigenschaften von PCB-Laminaten.

Sobald diese Designaufgaben abgeschlossen sind und das PCB-Layout fertiggestellt ist, kann das Design in ein Zwischenformat exportiert werden, das für Simulationen verwendet wird. Ein externes Tool sollte für umfassende thermische Simulationen und Analysen verwendet werden, bevor das PCB finalisiert und für die Produktion vorbereitet wird.

Worauf Sie bei PCB-Thermalanalyse-Software achten sollten

In Ihrer PCB-Thermalanalyse-Software besteht Ihr Ziel darin, die Gleichgewichtstemperaturverteilung unter typischen Betriebsbedingungen für die PCB-Montage zu bestimmen. Die Simulationsergebnisse, die Sie für Ihr PCB generieren, sollten die Temperaturverteilung im Raum zeigen, sowie zusätzliche Informationen über Deformationen, falls möglich. Wenn jedoch die Gleichgewichtstemperatur in verschiedenen Bereichen der Platine bekannt ist, ist es möglich, aus diesen Daten Deformationen abzuschätzen.

Anwendungen von Drittanbietern zur Feldberechnung, wie Ansys, die mit Altium Designer interagieren, können für diese Simulationen verwendet werden. Diese leistungsstarken Werkzeuge können eingesetzt werden, um Verformungen in der Leiterplatte aufgrund von thermischen Ausdehnungen, thermischen Schocks und thermischen Zyklen zu bestimmen. Die Kombination dieser Werkzeuge bietet Ihnen alles, was Sie benötigen, um die Zuverlässigkeit Ihrer PCBA zu bewerten, da Ermüdungsbrüche ein wichtiger Punkt sind, der bei einem PCB-Layout untersucht werden muss.

Erfahren Sie mehr über die Bewertung der thermischen Zuverlässigkeit von PCBs.

Wenn Geräte bei höheren Temperaturen betrieben werden und eine signifikante Reduzierung der Wärme erforderlich ist, wird oft ein Luftstrom zusammen mit Kühlkörpern, Wärmeleitpasten und zusätzlichem Kupfer zu einem Design hinzugefügt. Die Wirksamkeit von Lüftern, die einen Luftstrom bereitstellen, oder natürliche Konvektion, kann mit CFD-thermischen Co-Simulationen bewertet werden. Diese fortgeschritteneren Feldlöser helfen Ihnen zu untersuchen, wie sich die Wärme allein durch den Luftstrom um die Leiterplatte verteilt. Weitere Punkte, die im PCB-Layout berücksichtigt werden sollten, umfassen die mechanische Platzierung des Lüfters, die ein MCAD-Werkzeug erfordert, um Interferenzen zu vermeiden und das Gehäuse für maximale Wärmeableitung und Luftstrom zu entwerfen.

• Erfahren Sie mehr über integrierte ECAD/MCAD-Workflows.

Teilen Sie Ihre thermischen Simulationsmodelle mit Altium 365

Altium Designer ist bereits das branchenführende PCB-Designsoftwarepaket und bietet das hochwertigste Set an Design- und Fertigungswerkzeugen, die benötigt werden, um fortschrittliche Elektronik zu erstellen. Nutzer können ihre Design- und Simulationsfähigkeiten erweitern, indem sie ein externes PCB-Thermoanalyse-Softwarepaket verwenden, das über ein Zwischenformat mit Altium Designer interagiert.

Das aktuelle Werkzeug in Altium Designer zur Erzeugung dieser Simulationsmodell-Dateien ist die EDB Exporter-Erweiterung, welche eine EDB-Datei aus Ihrem PCB-Layout für die Verwendung in Ansys-Feldlösern erstellt. Die Altium 365-Plattform erleichtert das Teilen dieser Simulationsmodell-Dateien mit einem Mitarbeiter, hält sie in einem Projekt und platziert Dateien in der Versionskontrolle und veröffentlicht alle Projektdaten zur Fertigung.

Schnittstelle zu externen Feldlösern über Altium 365

Altium Designer und Altium 365 bieten den Nutzern eine einzigartige Möglichkeit, mit externen Feldlöser-Anwendungen für die PCB-Thermoanalyse zu interagieren. Nutzer von Altium Designer haben mehrere Export-Utilities zur Verfügung, um herstellerspezifische und herstellerneutrale Dateien für die Verwendung in PCB-Thermoanalyse-Software zu generieren. Wenn Sie diese Dateien erstellen, können Sie sie einfach mit Ihrem Designteam und Mitarbeitern über die Altium 365-Plattform teilen. Das Teilen ist sicher über eine Cloud-Plattform und beinhaltet ein eingebautes Git-basiertes Versionskontrollsystem.

• Altium Designer bietet Benutzern alles, was sie benötigen, um fortschrittliche Elektronik zu erstellen und Dokumentationen für Leiterplattenlayouts vorzubereiten.
  Erfahren Sie mehr über das komplette Werkzeugset von Altium Designer für das Design von gedruckten Schaltungen.
• Altium Designer umfasst viele Erweiterungen, um die Fähigkeiten der Designumgebung zu erweitern, einschließlich eines EDB-Dateiexporteurs zur Schnittstelle mit Ansys-Thermalsimulationsanwendungen.
  Erfahren Sie mehr über die Ansys EDB Exporter-Erweiterung für Altium Designer.
• Altium 365 ist ideal für die Speicherung und gemeinsame Nutzung aller Ihrer Projektdaten, einschließlich Simulationsmodellen für den Einsatz in fortgeschrittenen Feldlöseranwendungen.
  Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie Altium 365 nutzen können, um Ihre Simulationsmodelle und -daten zu teilen.

Altium Designer auf Altium 365 bietet eine bisher in der Elektronikindustrie unerreichte Menge an Integration, die bisher der Welt der Softwareentwicklung vorbehalten war. Dies ermöglicht es Designern, von zu Hause aus zu arbeiten und beispiellose Effizienzniveaus zu erreichen. Sobald Sie Ihr Thermalsimulationsmodell mit Mitarbeitern geteilt haben, können diese Kommentare im Design hinterlassen und Modifikationen vorschlagen, um das höchste Niveau an Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Sobald ein Design fertiggestellt ist und für die Produktion freigegeben werden kann, ermöglicht Ihnen Altium 365, Ihre Designs über eine Online-Plattform oder durch das Standardwerkzeugset in Altium Designer in die Produktion freizugeben.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion der thermischen Simulationssoftware in Altium Designer + Altium 365.