Utilizando software de simulación y análisis térmico de PCB en su flujo de trabajo de diseño

El diseño de PCB sigue un flujo de trabajo específico que involucra la captura esquemática, el diseño de la PCB y la generación de salidas. ¿Dónde deberían entrar el análisis térmico y la fiabilidad en el flujo de trabajo estándar de diseño de PCB? Estas consideraciones surgen en múltiples puntos durante el diseño, ya que los desafíos de gestión térmica crean problemas de fiabilidad en los componentes y en la PCBA completada.

La gestión térmica en su placa de circuito impreso se centra en dirigir el calor de áreas calientes a áreas frías, reduciendo en última instancia la temperatura y produciendo una distribución de temperatura uniforme a través de la placa de circuito impreso. La disposición de los componentes, el apilado de la PCB y otros componentes pueden usarse para dirigir el calor lejos de un ensamblaje y hacia el recinto, o puede ser eliminado con flujo de aire forzado. El software de diseño que se integra con un solucionador de campo externo le ayudará a calificar su apilado de PCB y eliminar puntos calientes en la PCBA durante la operación.

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Software de diseño de PCB para electrónica avanzada que se interfaz con muchas aplicaciones de terceros, incluyendo software de análisis térmico de PCB.

El análisis térmico de PCB puede involucrar múltiples tareas destinadas a evaluar la transferencia de calor a través de la estructura del PCB. Esto requiere identificar dónde se generará calor y la temperatura esperada de los componentes durante la operación, así como comprender cómo la estructura de un sustrato de PCB ayudará en el transporte de calor. Desafortunadamente, estos son problemas de multiphísica complejos que involucran solucionadores de campo para ser evaluados completamente. Una vez que el flujo de aire es impulsado a través del PCBA, el efecto del flujo de aire antes del prototipado solo puede evaluarse con simulaciones de CFD, algo con lo que no todos los diseñadores pueden estar familiarizados.

Los diseñadores que tienen acceso a estos solucionadores de campo avanzados deben usar software de diseño de PCB que pueda interactuar con el software de análisis térmico de PCB dentro del flujo de trabajo estándar. Antes de exportar a una herramienta de análisis térmico de PCB, hay algunos pasos simples que un diseñador puede tomar para ayudar a gestionar la generación de calor en la placa y prevenir un aumento excesivo de temperatura durante la operación.

Identificar Temperaturas Altas y Prevenir Componentes Calientes

La gestión térmica de PCB se centra en tres áreas principales:

• Identificación del aumento excesivo de temperatura en componentes y en el sustrato de la placa
• Selección de materiales de la placa para proporcionar transporte de calor y producir una distribución uniforme de la temperatura
• Traslado de calor de áreas calientes a áreas frías mediante flujo de aire o conducción

El software de análisis térmico de PCB puede ayudar con estas tareas en varios puntos de la fase de diseño. El mejor momento para usar el software de análisis térmico de PCB es una vez que se ha completado el diseño de la PCB pero antes de la prototipación. Sin embargo, si puedes implementar algunas estrategias básicas de análisis antes de exportar tu diseño a un programa de software de análisis térmico de PCB, puedes reducir la magnitud de cualquier rediseño requerido con algunas mejores prácticas para la integridad térmica.

Calentamiento de Componentes

Un paso que puedes tomar para ayudar en el análisis térmico y asegurarte de haber identificado cualquier componente caliente en la placa es usar los valores de resistencia térmica de los componentes para determinar su temperatura de operación. Algunos componentes obviamente funcionarán a temperaturas muy altas, como los grandes procesadores con altos conteos de E/S. Sin embargo, otros componentes más pequeños pueden calentarse mucho aunque puedan funcionar dentro de sus límites operativos. Los LDOs, PMICs, MMICs y algunos ASICs son excelentes ejemplos. Identificar estos tempranamente puede ayudar a informar dónde colocarlos en el PCB para que reciban flujo de aire o se conecten a un elemento de disipación de calor o de vuelta a la carcasa. Otra posibilidad es separar estas partes en diferentes áreas si es posible, para que no se desarrollen grandes puntos calientes en una área de la placa.

• Aprende más sobre las especificaciones de resistencia térmica.

Pérdida de Potencia DC

La pérdida de potencia DC es un contribuyente a la generación de calor en un PCB, particularmente en la electrónica de potencia. Los diseños digitales más pequeños y la mayoría de los diseños analógicos no necesitarán este tipo de simulación. Sin embargo, la electrónica de potencia necesita asegurar que la energía se transfiera con la mínima pérdida ya que esto ayudará a minimizar el calentamiento y maximizar la eficiencia de entrega de potencia. Las pérdidas de potencia DC en tu sistema pueden evaluarse con una simulación de análisis de PDN, que calculará la distribución de potencia DC en el PDN.

Mientras que un analizador de PDN no muestra directamente la cantidad de calor disipado o la temperatura en su diseño de PCB, sí mostrará dónde es probable que ocurran puntos calientes en el PDN. Luego se pueden hacer cambios simples para ayudar a mejorar la integridad del diseño y prevenir fallos a nivel de placa.

• Aprenda más sobre el uso del Analizador de PDN en Altium Designer.

Selección de Material y Diseño de Apilado para PCB

La selección de material en un PCB requiere elegir un sistema de resina y agente de curado, grosor del material y peso del cobre. El grosor de las capas dieléctricas entre regiones de cobre calientes y planos cercanos también es importante, ya que determina qué tan fácilmente se puede transportar el calor alrededor del PCB.

• Peso del cobre: Las placas con mayor peso de cobre pueden soportar corrientes más altas para una temperatura de equilibrio objetivo dada.
• Contenido de resina: Los prepregs con mayor contenido de resina tenderán a tener una mayor conductividad térmica. Estos materiales también pueden ser preferibles en algunos electrónicos de potencia, como en placas de alto voltaje.
• Temperatura de transición vítrea: Cualquier placa que experimentará grandes excursiones térmicas debería tener una alta temperatura de transición vítrea. Los laminados típicos de alta Tg experimentarán una transición vítrea a 170-180 °C.
• Capas planas y grosor del laminado: Colocar una capa plana más cerca de una zona caliente de cobre ayudará a eliminar el calor de la región más caliente y transportar ese calor a otras áreas de la placa.

Después de seleccionar estas especificaciones en materiales laminados, puedes construir el apilado de PCB y enviarlo a tu casa de fabricación para su validación. Asegúrate de entender todas las propiedades materiales relevantes de los laminados de PCB al seleccionar materiales.

• Aprende más sobre las propiedades de los materiales laminados de PCB.

Una vez que estas tareas de diseño se completan y el diseño de la PCB está terminado, el diseño se puede exportar a un formato de archivo intermedio para su uso en simulaciones. Se debe utilizar una herramienta externa para la simulación y análisis térmico exhaustivo antes de finalizar la PCB y prepararse para la producción.

Qué tener en cuenta en el software de análisis térmico de PCB

Dentro de tu software de análisis térmico de PCB, tu objetivo es determinar la distribución de temperatura de equilibrio dadas las condiciones operativas típicas para el ensamblaje de la PCB. Los resultados de la simulación que generes para tu PCB deberían mostrar la distribución de la temperatura en el espacio, así como información adicional sobre la deformación si es posible. Sin embargo, si la temperatura de equilibrio se conoce en diferentes regiones de la placa, es posible estimar la deformación a partir de estos datos.

Aplicaciones de solución de campos de terceros como Ansys que se interfazan con Altium Designer pueden utilizarse para ejecutar estas simulaciones. Estas poderosas herramientas pueden usarse para determinar la deformación en el PCB debido a excursiones térmicas, choques térmicos y ciclos térmicos. La combinación de estas herramientas te brinda todo lo que necesitas para evaluar la fiabilidad en tu PCBA, ya que la falla por fatiga es un punto importante a examinar en un diseño de PCB.

Aprende más sobre la evaluación de la fiabilidad térmica del PCB.

Cuando los dispositivos funcionan a temperaturas más altas y se necesita una reducción significativa del calor, a menudo se añade flujo de aire al diseño junto con disipadores de calor, compuestos térmicos y cobre adicional. La efectividad de los ventiladores que proporcionan flujo de aire, o la convección natural, puede evaluarse utilizando co-simulaciones térmicas CFD. Estos solucionadores de campos más avanzados te ayudan a examinar cómo se propaga el calor alrededor del PCB debido puramente al flujo de aire. Puntos adicionales a considerar en el diseño del PCB incluyen la colocación mecánica del ventilador, lo cual requiere una herramienta de MCAD para prevenir interferencias y diseñar la carcasa para maximizar la disipación de calor y el flujo de aire.

• Aprende más sobre los flujos de trabajo integrados ECAD/MCAD.

Comparte Tus Modelos de Simulación Térmica Con Altium 365

Altium Designer ya es el paquete de software de diseño de PCB estándar en la industria, proporcionando el conjunto de herramientas de diseño y fabricación de la más alta calidad necesarias para crear electrónica avanzada. Los usuarios pueden expandir sus capacidades de diseño y simulación utilizando un paquete de software de análisis térmico de PCB externo que se interfaz con Altium Designer a través de un formato de archivo intermedio.

La herramienta actual en Altium Designer para generar estos archivos de modelo de simulación es la extensión EDB Exporter, que creará un archivo EDB de su diseño de PCB para su uso en solucionadores de campo de Ansys. La plataforma Altium 365 facilita compartir estos archivos de modelo de simulación con un colaborador, mantenerlos en un proyecto y colocar archivos en control de versiones, y liberar todos los datos del proyecto para la fabricación.

Interfaz con solucionadores de campo externos a través de Altium 365

Altium Designer y Altium 365 ofrecen a los usuarios una manera única de interfaz con aplicaciones de solucionadores de campo externos para análisis térmico de PCB. Los usuarios de Altium Designer tienen disponibles múltiples utilidades de exportación para generar archivos específicos del proveedor y neutrales al proveedor para su uso en software de análisis térmico de PCB. Cuando generas estos archivos, puedes compartirlos fácilmente con tu equipo de diseño y colaboradores utilizando la plataforma Altium 365. La compartición es segura a través de una plataforma en la nube e incluye un sistema de control de versiones basado en Git integrado.

• Altium Designer ofrece a los usuarios todo lo que necesitan para crear electrónica avanzada y preparar la documentación del diseño de placas de circuito.
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• Altium Designer incluye muchas extensiones para expandir las capacidades del entorno de diseño, incluyendo un exportador de archivos EDB para interfaz con aplicaciones de simulación térmica de Ansys.
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• Altium 365 es ideal para almacenar y compartir todos los datos de tu proyecto, incluyendo modelos de simulación para usar en aplicaciones avanzadas de solucionador de campos.
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Altium Designer en Altium 365 ofrece una cantidad sin precedentes de integración a la industria electrónica que hasta ahora estaba relegada al mundo del desarrollo de software, permitiendo a los diseñadores trabajar desde casa y alcanzar niveles de eficiencia sin precedentes. Una vez que has compartido tu modelo de simulación térmica con los colaboradores, ellos pueden colocar comentarios en el diseño y sugerir modificaciones para ayudar a asegurar el más alto nivel de calidad y fiabilidad. Una vez que un diseño está terminado y listo para ser liberado a producción, Altium 365 te permite liberar tus diseños a producción a través de una plataforma en línea o mediante el conjunto de herramientas estándar en Altium Designer.

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