Leitfaden für das Design von Thermalentlastungen

Einer der häufigsten Defekte bei der PCB-Bestückung, die in Leitfäden zur DFA besprochen werden, ist das Tombstoning; der zweithäufigste sind wahrscheinlich kalte Lötstellen, wobei Letztere insbesondere bei Through-Hole-Pins auftreten. Auch wenn diese beiden Probleme auf den ersten Blick nicht zusammenzuhängen scheinen, stehen sie beide damit in Zusammenhang, dass Wärme von einem Pin oder Pad eines Bauteils abfließt. Im PCB-Layout wird dies durch das Hinzufügen eines Thermal-Relief-Pads am betroffenen Bauteil berücksichtigt, sodass die Wärme beim Löten lokal begrenzt bleibt.

Dann stellt sich die Frage: Wann sollten Thermal-Pads eingesetzt werden, und welche Bauteile benötigen sie? Einige DFA-Richtlinien vermitteln den Einsatz von Thermal-Pads als etwas, das überall erforderlich ist, und manchmal erzwingt die Standard-Designregel in einer PCB oder einem Projekt dies im gesamten Design. In diesem Leitfaden erläutern wir, wie Sie die richtigen Einstellungen für Ihr Thermal-Pad auswählen und wo Sie sie anwenden sollten.

Wo Thermal Reliefs angewendet werden sollten

Unten ist eine einfache Darstellung eines Thermal Reliefs in einem PCB-Layout zu sehen. Diese Thermal Reliefs bestehen aus kleinen Speichen, die Kupfer mit einem Pad für ein SMD-Bauteil oder einen Through-Hole-Pin verbinden. Diese Thermal Reliefs werden in Ihrem CAD-Tool automatisch angewendet, sodass Sie die Speichenverbindungen mit ihren kleinen Leiterbahnen oder Füllbereichen nicht selbst zeichnen müssen.

Thermal Reliefs an Through-Hole-Pins.

Hier sehen wir zwei Fälle, in denen die Anwendung von Thermal Reliefs empfohlen wird:

• Auf lötstoppmaskendefinierten SMD-Pads, d. h. Pads auf einer Kupferfläche
• An Through-Hole-Pins, bei denen ein Pad mit einer Plane verbunden ist

Thermal Reliefs sind in den folgenden Fällen nicht erforderlich

• Auf lötstoppmaskendefinierten SMD-Pads, die mit einer kleinen Kupferfläche verbunden sind
• Auf Through-Hole-Padflächen, die mit einer kleinen Kupferfläche verbunden sind
• Auf Vias, die mit Kupferflächen oder Planes verbunden sind, selbst wenn die Fläche mit einem SMD-Pad verbunden ist

Der letzte Punkt ist besonders wichtig, weil es technisch möglich ist, ein Thermal Relief auf ein Via anzuwenden. Offen gesagt hat es keinen Nutzen, ein Thermal Relief auf ein Via zu setzen, das mit einer Kupferfläche verbunden ist, die ihrerseits auch mit einem SMD-Pad verbunden ist. Wenn Sie ein Thermal Relief benötigen, setzen Sie es einfach auf das SMD-Pad statt auf das Via. Das Ziel ist, die Wärme auf das SMD-Pad zu begrenzen und nicht zuzulassen, dass sie sich über ein großes Stück Kupfer ausbreitet.

Links: Thermal Relief an Through-Hole-Pins für eine Stiftleiste. Rechts: Thermal Reliefs an SMD-Pads, die auf derselben Lage mit einer Kupferfläche verbunden sind.

Es gibt einige weitere Fälle, in denen Thermal Reliefs nicht erforderlich sind, insbesondere bei SMD-Bauteilen. Dazu gehören:

• Wenn eine Verbindung zu einer Kupferfläche einer Leiterbahn sehr ähnlich sieht
• Auf Die-Attach-Pads bei integrierten Schaltungen
• Wenn sichergestellt werden kann, dass die Erwärmung während des Lötens gleichmäßig über die gesamte Leiterplatte erfolgt

Der letzte Punkt bezieht sich auf den Lötprozess. Beim Reflow-Löten ist es deutlich weniger wahrscheinlich, dass überall Thermal-Relief-Pads erforderlich sind. Wenn Sie jedoch alle Ihre SMD-Bauteile von Hand löten, insbesondere passive SMD-Bauteile, kann es sinnvoll sein, Thermal Reliefs zu den SMD-Pads Ihrer passiven Bauteile hinzuzufügen. Heißluftlöten oder Löten auf einer Heizplatte ist ein Sonderfall, da dies stark von den Fähigkeiten der bestückenden Person und der verwendeten Ausrüstung abhängt.

Wann ist eine Kupferfläche groß?

Dies ist eine wichtige Frage, da sie bestimmt, wann Thermal Reliefs an Through-Hole-Pins oder an SMD-Pads eingesetzt werden sollten. Bei Through-Hole-Bauteilen platzieren wir das Thermal Relief normalerweise an der Verbindung zu einer Plane. Wenn jedoch auf einer Lage statt einer Plane-Lage eine Kupferfläche verwendet wird, haben wir im Wesentlichen dasselbe: einen großen Kupferbereich, der Wärme vom Pin abziehen kann und daher möglicherweise ein Thermal Relief benötigt. Derselbe Effekt tritt bei einem SMD-Bauteil auf einer Kupferregion auf, etwa bei einer großen Kupferfüllung auf einer der Außenlagen.

Aber wenn Sie eines dieser Bauteile mit einem Polygon auf einer Lage verbinden, braucht dann wirklich jedes einzelne Polygon ein Thermal Relief? Ich denke, die Antwort lautet „nein“.

• Wenn die Kupferfläche sehr klein ist, ähnelt sie einer Leiterbahn, und ein Thermal Relief sollte nicht erforderlich sein.
• Wenn eine Kupferfläche auf einer Innenlage sehr groß ist, ähnelt sie stark einer Plane, und ein Thermal Relief wäre bei Through-Holes erforderlich.
• Wenn eine Kupferfläche auf einer Außenlage groß genug ist, um den größten Teil der Oberfläche zu füllen, ähnelt sie ebenfalls einer Plane, und ein Thermal Relief wäre erforderlich.

Irgendwo zwischen sehr kleinen und sehr großen Kupferflächen gibt es einen Punkt, ab dem ein Thermal Relief an einem Bauteilpin oder Pad notwendig wird. Es ist ziemlich schwierig, diesen Punkt vorherzusagen, ohne einen Testcoupon für eine große Serie von Leiterplatten durch den Lötprozess zu schicken. Man würde außerdem einen Unterschied zwischen Reflow-Löten und Handlöten erwarten. Obwohl sich dies simulieren ließe, ist es besser zu akzeptieren, dass der Punkt, ab dem Thermal Reliefs notwendig werden, anhand von Qualitätsprüfungen an bestückten Leiterplatten bestimmt werden muss.

Wie sollten Thermal Reliefs gestaltet sein?

Designer müssen keinen übermäßig großen Aufwand betreiben, um ein Thermal Relief zu erstellen. Typischerweise ist eine einfache Speichenverbindung von den vier Seiten eines Pins oder Pads ausreichend. Die Größe der Speichen an den Leiterbahnen sowie der Abstand bzw. die Öffnungsgröße sollten so gewählt werden, dass die Randstrukturen nicht zu klein werden. Machen Sie die Pad-Speiche nicht so dünn, dass Sie unter Ihre Ätzgrenze fallen. Sorgen Sie außerdem dafür, dass die Öffnung um das Pad groß genug ist, damit Sie über der Mindestabstandsgrenze an Kanten bleiben.

Typischerweise sind 8-mil-Leiterbahnen mit 10 mil Abstand für die meisten Bauteile ausreichend. Bei deutlich kleineren passiven Bauformen, die mit hoher Dichte platziert werden, können Leiterbahnbreite und Abstand kleiner gewählt werden, damit die Leiterbahnen um das Pad herum passen.

In Altium angewendetes Thermal Relief auf einem benutzerdefinierten Pad.

Thermal-Relief-Design in Altium

Altium bietet mehrere Möglichkeiten, Thermal-Relief-Pads auf SMD-Bauteilen und Through-Hole-Komponenten umzusetzen. Diese können global oder selektiv wie folgt angewendet werden:

• Anwenden eines Thermal-Relief-Stils mithilfe einer Designregel für Plane- oder Polygonverbindungen
• Anwenden von Thermal-Relief-Pads mithilfe einer Designregel, deren Geltungsbereich auf bestimmte Footprints oder Bauteilklassen festgelegt ist
• Anwenden eines Thermal-Relief-Pads auf ein bestimmtes SMD-Pad oder einen bestimmten Through-Hole-Pin auf Grundlage der Pad-/Pin-Eigenschaften

Das Designregel- und Abfragesystem in Altium ermöglicht es Ihnen, diese Ansätze für verschiedene Bauteiltypen oder Bauteilgruppen flexibel zu kombinieren. Wenn Sie die Designregeln verwenden, haben Sie immer die Möglichkeit, Thermal Reliefs manuell auf bestimmte Through-Hole-Pins oder SMD-Pads anzuwenden.

Wenn Sie mehr über die Anwendung von Thermal-Relief-Pads in Ihrem PCB-Layout erfahren möchten, sehen Sie sich diese Links in der Altium-Dokumentation an:

• Polygon Connect Style
• Defining Custom Thermal Reliefs

Ganz gleich, ob Sie zuverlässige Leistungselektronik oder fortschrittliche digitale Systeme entwickeln müssen – Altium Develop vereint jede Disziplin zu einer kollaborativen Einheit. Frei von Silos. Frei von Grenzen. Hier arbeiten Ingenieure, Designer und Innovatoren als Einheit zusammen, um ohne Einschränkungen gemeinsam zu entwickeln. Erleben Sie Altium Develop noch heute!