La temperatura de la placa de circuito impreso no se sobrecalienta con el software de diseño Smart Checking

Zachariah Peterson
|  Creado: April 9, 2020  |  Actualizado: November 14, 2020

La integridad de la placa puede verse comprometida sin un esfuerzo consciente por parte del diseñador para mitigar las áreas de alta temperatura de la placa. El control del calor puede ayudar a evitar que su placa se incendie.

ALTIUM DESIGNER

El software de diseño de placas adecuado será de gran utilidad en diseños de alta velocidad y muchos otros.

El énfasis en lograr huellas de productos más pequeños ha empujado los diseños de placas de circuito impreso multicapa hacia componentes con densidades más altas. Como resultado, la aplicación de mejores técnicas de diseño térmico se ha convertido en una prioridad. Las temperaturas de funcionamiento más altas pueden provocar tensiones mecánicas en la placa y provocar grietas y conexiones intermitentes o fallidas a medida que las capas se calientan y se enfrían. El diseño térmico implica comprender cómo se produce el calentamiento, cómo responden al calor los diferentes componentes y materiales de las capas, y cómo eliminar adecuadamente el calor de la placa de circuito impreso

 

Las altas temperaturas pueden dañar la integridad de la placa

Expresado como partes por millón por grado Celsius (ppm/oC), el coeficiente de expansión térmica (CTE) describe cómo se expande una placa de circuito impreso cuando se calienta o se enfría. Para poner esto en perspectiva, las placas de circuito impreso se expanden en longitud, anchura y grosor a medida que aumenta la temperatura. Como ejemplo, el laminado FR-4 común se expande de 14 a 17 ppm/oC. Cuando comparamos la tasa de expansión del laminado con la tasa de expansión de componentes como los CI o los BGA, existe una diferencia significativa entre las tasas de expansión de los componentes y los materiales laminados. Los resultados de la diferencia se hacen evidentes en conexiones rotas o en la inestabilidad del circuito. Si el laminado y el componente tienen ECT similares, ambos se expanden y contraen sin causar daño alguno.

El embalaje de plástico utilizado con los componentes tiene una alta resistencia térmica. Como resultado, el calor se transfiere a la almohadilla de cobre expuesta de la placa de circuito impreso. Debido a la posibilidad de daños en los puntos de menor resistencia térmica, Altium Designer proporciona información de alta calidad sobre los materiales de la interfaz térmica y la correcta colocación de los disipadores de calor. Por ejemplo, la conexión térmica del disipador de calor al lado opuesto de la placa desde un componente montado en superficie mantiene la temperatura del sistema dentro de los límites. En algunos casos, sin embargo, los fabricantes pueden producir paquetes que requieren la fijación del disipador de calor a la parte superior del componente.

Elija los materiales adecuados para la interfaz térmica de su placa de circuito impreso

Altium Designer utiliza información de componentes y herramientas de análisis para determinar el uso de patrones térmicos para reforzar las conexiones de placa a placa, placa a vía y placa a placa. Altium Designer proporciona el patrón térmico adecuado para cualquier vía o agujero conectado a un plano de potencia o de tierra. Los descargadores térmicos conducen el calor lejos de los componentes al conectar térmicamente los componentes a planos de cobre adyacentes.

La transferencia de calor a través de una almohadilla expuesta ilustra que la máxima transferencia de calor ocurre en la placa de circuito impreso. Al diseñar su placa de circuito impreso, Altium Designer le ayudará a determinar la resistencia térmica de la placa. Como Altium Designer determina los caminos que el calor puede tomar para pasar de una unión de componentes al aire ambiente, define parámetros de rendimiento térmico para cada capa de su placa de circuito impreso. A partir de ahí, puede utilizar Altium Designer para establecer el Control de Reglas Eléctricas (ERC) y el Control de Reglas de Diseño (DRC) para su placa de circuito impreso y para verificar que su placa cumple con todas las restricciones de diseño térmico establecidas.

 

Opciones de lágrima en Altium Designer para trazos


Las lágrimas reducen las tensiones mecánicas y térmicas al mantener el cobre donde los rastros se unen a las almohadillas.



 

 

Use las mejores prácticas en diseño térmico

Los diseños de placas de circuito impreso de alta potencia generan calor y, como resultado, requieren las mejores prácticas que permitan que el calor se disipe. Estas prácticas incluyen la reducción de la resistencia térmica caso a caso (ƟCA) para los circuitos integrados que se encuentran dentro de su diseño de placas de circuito impreso. El control de la resistencia térmica mediante técnicas de disipación adecuadas aumenta la fiabilidad de su placa.

Un buen diseño térmico y los materiales adecuados para la interfaz térmica de los circuitos impresos pueden mejorar la fiabilidad y evitar daños a los componentes, así como a los circuitos impresos. Sin embargo, el camino que conduce a un buen diseño térmico a menudo implica realizar un análisis matemático de la dinámica de fluidos para formas complejas. En lugar de intentar realizar ese análisis, puede confiar en los análisis proporcionados a través de Altium Designer para definir qué materiales y métodos funcionan mejor para el control térmico. Los análisis proporcionados a través de Altium Designer consideran el diseño térmico al principio del proceso de diseño de placa de circuito impreso.

Por ejemplo, puede evitar el rediseño después de la fase de post diseño utilizando el análisis PI-DC (DC Power Integrity) dentro de la aplicación PDN Analyzer (Power Delivery Network Analyzer) para optimizar su diseño con la menor densidad de corriente y caída de tensión entre las fuentes y todas las cargas. El PDN Analyzer asegura que los planos, trazas y vías de una placa de circuito impreso tengan el tamaño y las características necesarias para satisfacer las necesidades de consumo de energía de los componentes montados en la placa. El mantenimiento de la integridad del diseño de la alimentación de CC y la optimización del diseño reducen las oportunidades de problemas térmicos.

Altium Designer y PDN Analyzer proporcionan las herramientas necesarias para identificar el problema

Con Altium Designer, usted tiene acceso a la información sobre la resistencia térmica de más de 300.000 componentes, junto con las directrices recomendadas, la disponibilidad y las estimaciones de costes. El acceso a las bibliotecas de componentes proporciona valores de disipación de energía para los componentes y le permite editar y adjuntar cualquier duda sobre las características térmicas de los componentes. A su vez, puede utilizar PDN Analyzer, una extensión descargable de Altium Designer, para extraer toda la información física y eléctrica del diseño de la placa de circuito impreso.

Las herramientas que se encuentran en la aplicación PDN Analyzer identifican los puntos calientes durante la colocación de los componentes y generan un mapa térmico basado en los valores de disipación de energía de los componentes. A continuación, puede utilizar aproximaciones del perfil de temperatura real de cada componente para considerar las interacciones térmicas del circuito.

Los amplificadores de potencia y alta frecuencia generan calor que puede dañar las uniones de dispositivos activos cercanos a los amplificadores. Altium Designer también ayuda a colocar componentes para la distribución uniforme del calor a través de la placa de circuito impreso. Colocando los componentes de forma correcta, su placa de circuito impreso puede transferir energía a los componentes de potencia montados en la superficie.

 

Captura de pantalla de PDN Analyzer de Altium Designer en acción con un diseño de placa


Utilizar PDN Analyzer de Altium Designer puede hacer que sus diseños sean infinitamente más confiables.
 

 

 

 

Un cómodo editor de placas de circuito impreso permite que los diseños se ejecuten sin problemas

Además, Altium Designer le ayuda a seleccionar materiales de baja temperatura para su placa.  El Layer Stack Manager de Altium le permite elegir dieléctricos que tengan la temperatura correcta de transición vítrea (Tg), la constante dieléctrica laminada (Dk) y el factor de disipación (Df) para su placa. Por ejemplo, las placas de circuito impreso de alta temperatura requieren un Tg superior a 170oC y deben soportar una carga térmica continua con una temperatura de funcionamiento aproximadamente 25oC por debajo del Tg. La tabla de apilado de capas que se encuentra en el administrador de apilado de capas especifica los requisitos de material y mecánicos para cada tipo de capa. Consulte siempre con el fabricante de la placa para seleccionar los materiales y propiedades correctos para su diseño de placa de circuito impreso.

La Integración del Diseño de Altium Designer desde el esquema hasta el diseño

El editor de placas de circuito impreso de Altium Designer proporciona la base para las reglas de diseño. Usted puede establecer reglas de diseño en el editor como:

● Mantenerse separado de los objetos

● Trabajar con objetivos definidos por un sistema de consulta flexible

● Aplicable a cualquier situación de diseño

● Tener prioridades

● Definir el comportamiento de un objeto, y

● Determinar la interacción entre dos objetos.

Tener un editor de reglas y limitaciones inteligente puede ayudar a gestionar cualquier cosa, desde los materiales de placas de circuito impreso hasta el impacto que la soldadura y el reflujo pueden tener en su diseño. Pero, además, poder comprobar las reglas de diseño es sólo otra parte del proceso que le permite pasar del esquema al diseño y a la producción sin problemas.

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La resolución de problemas de diseño térmico requiere un enfoque metódico combinado con diferentes niveles de análisis. Altium Designer y PDN Analyzer reducen la complejidad del diseño térmico a través de herramientas como las completas bibliotecas de componentes y simulaciones.

Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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