Guía de diseño de alivio térmico

Uno de los defectos de ensamblaje de PCB más comunes que se analizan en las guías sobre DFA es el efecto tombstoning, y el segundo más común probablemente sean las uniones frías, señalándose estas últimas específicamente en los pines de orificio pasante. Aunque estos dos defectos pueden no parecer relacionados, ambos están vinculados al calor que se disipa desde un pin o una almohadilla de un componente. En el diseño de PCB, esto se aborda añadiendo una almohadilla de alivio térmico al componente afectado para que el calor quede confinado durante la soldadura.

La pregunta entonces es: ¿cuándo se deben aplicar almohadillas térmicas y qué componentes las necesitarán? Algunas guías de DFA presentan el uso de almohadillas térmicas como algo necesario en todas partes, y a veces la regla de diseño predeterminada en una PCB o en un proyecto lo impondrá en todo el diseño. En esta guía, desglosaremos cómo seleccionar la configuración correcta para tu almohadilla térmica y dónde aplicarla.

Dónde aplicar alivios térmicos

A continuación se muestra una imagen sencilla de un alivio térmico en un diseño de PCB. Estos alivios térmicos consisten en pequeños radios que conectan el cobre con una almohadilla de un componente SMD o con un pin de orificio pasante. Estos alivios térmicos se aplican automáticamente en tu herramienta CAD, por lo que no necesitas dibujar las conexiones en radio, que tienen pequeñas trazas o regiones de relleno.

Alivios térmicos en pines de orificio pasante.

Aquí vemos dos casos en los que se recomienda aplicar alivios térmicos:

• En almohadillas SMD definidas por máscara, es decir, almohadillas sobre vertido de cobre
• En pines de orificio pasante donde una almohadilla hace conexión con un plano

Los alivios térmicos no son necesarios en los siguientes casos

• En almohadillas SMD definidas por máscara conectadas a un vertido de cobre pequeño
• En almohadillas de pines de orificio pasante conectadas a un vertido de cobre pequeño
• En vías conectadas a vertidos de cobre o planos, incluso si el vertido se conecta a una almohadilla SMD

El último punto es bastante importante porque técnicamente es posible colocar un alivio térmico en una vía. Francamente, no tiene ningún valor colocar un alivio térmico en una vía que se conecta a un vertido que también se conecta a una almohadilla SMD. Si necesitas el alivio térmico, simplemente colócalo en la almohadilla SMD en lugar de la vía. El objetivo es confinar el calor en la almohadilla SMD, no permitir que se disperse por una gran porción de cobre.

Izquierda: alivio térmico en pines de orificio pasante para un cabezal de pines. Derecha: alivios térmicos en almohadillas SMD conectadas a un vertido de cobre en la misma capa.

Hay algunos otros casos en los que no se necesitan alivios térmicos, especialmente en componentes SMD. Estos incluyen:

• Cuando una conexión a un vertido de cobre se parece mucho a una traza
• En almohadillas de fijación del dado en circuitos integrados
• Cuando se puede garantizar que el calentamiento sea uniforme en toda la placa durante la soldadura

El último punto está relacionado con el proceso de soldadura. En soldadura por reflujo, es mucho menos probable que necesites almohadillas de alivio térmico en todas partes. Sin embargo, si vas a soldar manualmente todos tus componentes SMD, en particular los pasivos SMD, puede tener sentido añadir alivios térmicos a las almohadillas SMD de esos pasivos. La soldadura con aire caliente o sobre placa caliente es un caso algo incierto porque depende en gran medida de la habilidad del ensamblador y del equipo utilizado.

¿Cuándo es grande un vertido de cobre?

Esta es una pregunta importante, ya que determinará cuándo colocar alivios térmicos en pines de orificio pasante o en almohadillas SMD. Para componentes de orificio pasante, normalmente colocamos el alivio térmico en la conexión a un plano. Sin embargo, si utilizamos un vertido de cobre en una capa en lugar de una capa de plano, esencialmente tenemos lo mismo: una gran región de cobre que puede extraer calor del pin y, por lo tanto, puede necesitar un alivio térmico. El mismo efecto ocurre con un componente SMD sobre una región de cobre, como un gran relleno de cobre en una de las capas superficiales.

Pero si conectas uno de estos componentes a un polígono en alguna capa, ¿cada polígono necesita tener alivio térmico? Creo que la respuesta es "no".

• Cuando el vertido de cobre es muy pequeño, se parece a una traza y no debería ser necesario ningún alivio térmico.
• Cuando un vertido de cobre en una capa interna es muy grande, se parece mucho a un plano y sería necesario un alivio térmico en los orificios pasantes.
• Cuando un vertido de cobre en una capa superficial es lo bastante grande como para cubrir la mayor parte de la superficie, también se parece a un plano y sería necesario un alivio térmico.

En algún punto entre vertidos de cobre muy pequeños y muy grandes, comienza a ser necesario un alivio térmico en el pin o la almohadilla de un componente. Es bastante difícil predecir cuál es ese punto sin probar un cupón de ensayo de un gran lote de placas durante la soldadura. También cabría esperar una diferencia entre la soldadura por reflujo y la soldadura manual. Aunque esto podría simularse, un mejor enfoque es aceptar que el punto en el que los alivios térmicos se vuelven necesarios debe determinarse a partir de inspecciones de calidad de placas ensambladas.

¿Cómo deben diseñarse los alivios térmicos?

Los diseñadores no necesitan dedicar un gran esfuerzo a crear un alivio térmico. Normalmente, una conexión simple en radios desde los cuatro lados de un pin o almohadilla será aceptable. El tamaño de los radios en las trazas y la separación o tamaño de apertura deben seleccionarse de modo que los elementos de borde no sean demasiado pequeños. No hagas que el radio de la almohadilla sea tan delgado que quede por debajo de tu límite de grabado. Además, haz que la apertura alrededor de la almohadilla sea lo bastante grande para mantenerte por encima del límite de separación al borde.

Normalmente, trazas de 8 mil con una separación de 10 mil serán adecuadas para la mayoría de los componentes. Para pasivos de encapsulado mucho más pequeño que se colocarán con alta densidad, el ancho de traza y la separación pueden reducirse para que las trazas quepan alrededor de la almohadilla.

Alivio térmico aplicado a una almohadilla personalizada en Altium.

Diseño de alivio térmico en Altium

Altium ofrece varias formas de implementar almohadillas de alivio térmico en piezas SMD y componentes de orificio pasante. Estas pueden aplicarse globalmente o de forma selectiva de la siguiente manera:

• Aplicar un estilo de alivio térmico mediante una regla de diseño de conexión de plano o polígono
• Aplicar almohadillas de alivio térmico mediante una regla de diseño, pero con el alcance establecido para footprints específicos o clases de componentes
• Aplicar una almohadilla de alivio térmico a una almohadilla SMD o pin de orificio pasante específico según las propiedades de la almohadilla/pin

El sistema de reglas de diseño y el sistema de consultas de Altium te permiten combinar estos enfoques para distintos tipos de componentes o grupos de componentes. Si utilizas las reglas de diseño, siempre tendrás la opción de aplicar manualmente alivio térmico en pines de orificio pasante o almohadillas SMD específicos.

Para obtener más información sobre cómo aplicar almohadillas de alivio térmico en tu diseño de PCB, consulta estos enlaces en la documentación de Altium:

• Polygon Connect Style
• Defining Custom Thermal Reliefs

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