LA TEMPÉRATURE  DE FONCTIONNEMENT DE PCB NE SURCHAUFFERA PAS AVEC LE LOGICIEL DE CONCEPTION INTELLIGENT DE VÉRIFICATION

Zachariah Peterson
|  Créé: April 9, 2020  |  Mise à jour: November 14, 2020

L'intégrité de la carte peut être compromise sans un effort conscient du concepteur pour limiter la haute température des zones de la carte. La gestion de chaleur sert à empêcher que votre carte prenne feu.

ALTIUM DESIGNER

Le logiciel correct de conception de la carte fera un long chemin dans la conception à grande vitesse et plus.

L'accent sur la réalisation de petites empreintes de produits a poussé a les conceptions de circuits imprimés multicouches vers des densités de composants plus élevés. Par conséquent, l’application des meilleures techniques de conception thermique est devenue une priorité. Des températures de fonctionnement de PCB plus élevées peuvent conduire à des sollicitations mécaniques pour la carte qui mènent au craquage, à l’intermittence et à l’échec des connexions lors du chauffage et du refroidissement des couches. La conception thermique implique de comprendre comment le chauffage se produit, comment les différents composants et matériaux de couche réagissent à la chaleur, et comment retirer correctement le PCB de la chaleur.

Les Températures Élevées Peuvent Endommager L’intégrité De La Couche

Exprimé en parties par million par degré Celsius (ppm/oC), le coefficient de dilatation thermique (CTE) décrit comment un PCB se dilate quand il est chauffé ou refroidi. Pour placer ces chiffres en perspective, les PCB se dilatent en longueur, largeur et épaisseur quand la température augmente. À titre d'exemple, le stratifié FR-4 commun se dilate de 14 à 17 ppm/oC. Quand on compare le taux d’expansion du stratifié avec le taux d’expansion des composants tels que les IC ou BGA, il existe une différence significative entre les taux d’expansion des composants et les matériaux stratifiés. Les résultats de l’écart s’est manifesté par des connexions défectueuses ou l’instabilité du circuit. Si le stratifié et le composant ont des CTE similaires, les deux s’expandent et se contractent sans causer de dégâts.

L’emballage en plastique utilisé avec les composants a une haute résistance thermique. Par conséquent, la chaleur se transfère à la pastille de cuivre exposée du PCB. En raison du risque de dommages à ces points de résistance thermique inférieure, Altium Designer fournit des informations de qualité sur les matériaux d’interface thermique et le placement correct des dissipateurs thermiques pour éviter la surchauffe des PCB. À titre d’exemple, connecter thermiquement le dissipateur de chaleur du côté opposé de la carte depuis un composant monté en surface maintient la température du système dans la tolérance. Dans certains cas, cependant, les fabricants peuvent produire des paquets qui nécessitent la fixation du dissipateur vers le haut du composant.

CHOISIR LES BONS MATÉRIAUX D’INTERFACE THERMIQUE POUR VOTRE PCB

Altium Designer utilise des renseignements sur les composants et des outils d’analyse pour déterminer l’utilisation de décharge thermique et de larmes pour renforcement des connexions du circuit à la pastille, du circuit à la voie et du circuit au circuit. Altium Designer fournit la décharge thermique adaptée pour chaque trou ou voie relié(e) à un plan de puissance ou de masse. Les reliefs thermiques conduisent la chaleur loin des composants en reliant thermiquement les composants à des plans de cuivre adjacents.

Le transfert de chaleur par une pastille exposée illustre que le transfert de chaleur maximal s’effectue sur le PCB. Lorsque vous concevez votre PCB, Altium Designer vous aidera à déterminer la résistance thermique du PCB. Quand Altium Designer détermine les chemins que la chaleur peut prendre pour passer d’une jonction de composant à l’air ambiant, il définit des paramètres de performance thermique pour chaque couche de votre PCB. A partir de là, vous pouvez utiliser Altium Designer pour établir la vérification des règles électriques (ERC, Electrical Rules Check) et la vérification des règles de conception (RDC, Design Rules Check) pour votre PCB et pour vérifier que votre PCB répond à toutes les contraintes thermiques de conception établies.

Pour éviter la surchauffe du PCB, les larmes réduisent les contraintes mécaniques et thermiques en soutenant le cuivre où les pistes rejoignent les pastilles.

Pour éviter la surchauffe du PCB, les larmes réduisent les contraintes mécaniques et thermiques en soutenant le cuivre où les pistes rejoignent les pastilles

Utilisation Des Meilleures Pratiques Dans La Conception Thermique

Les conceptions de PCB de haute puissance génèrent de la chaleur et — en conséquence — exigent de meilleures pratiques qui permettent à la chaleur de se dissiper. Ces meilleures pratiques comprennent la réduction de la résistance thermique du boîtier à température ambiante (ƟCA) pour les circuits intégrés dans votre conception de PCB. Le contrôle de la résistance thermique grâce à des techniques appropriées de dissipation augmente la fiabilité de votre PCB.

La bonne conception thermique et les matériaux d’interface thermique adéquats pour les PCB peuvent améliorer la fiabilité et éviter d’endommager les composants ainsi que le PCB. Cependant, le chemin menant à la bonne conception thermique comprend souvent d’effectuer une analyse mathématique de la dynamique des fluides pour les géométries complexes. Plutôt que d’essayer d’effectuer cette analyse, vous pouvez compter sur les analyses fournies par Altium Designer pour définir quels matériaux et méthodes fonctionnent le mieux pour la régulation thermique. Les analyses fournies par Altium Designer considèrent la conception thermique tôt dans le processus de conception de PCB.

Par exemple, vous pouvez éviter le remaniement après la phase post-configuration en utilisant l’analyse de PI-DC (Intégrité de puissance de DC) au sein de l’application de l’analyseur de PDN (analyseur de réseau d'approvisionnement électrique) afin d’optimiser votre conception pour la plus faible densité de courant et les chutes de tension entre les sources et toutes les charges. L’analyseur de PDN s’assure que les plans, pistes et voies sur un PCB aient la taille et les caractéristiques nécessaires pour répondre aux besoins de la consommation électrique des composants montés sur la carte de circuit imprimé. Le maintien de l’intégrité de la configuration de puissance DC et l’optimisation de votre conception diminuent les possibilités de problèmes thermiques.

ALTIUM DESIGNER ET L’ANALYSEUR DE PDN FOURNISSENT LES OUTILS NÉCESSAIRES POUR IDENTIFIER LES PROBLÈMES DE COMPOSANTS

Avec Altium Designer, vous avez accès à l’information de la résistance thermique de plus de 300 000 composants ainsi que des lignes directrices recommandées, la disponibilité et les estimations de coûts. Votre accès aux bibliothèques de composants fournit des valeurs de dissipation de puissance pour les composants et vous permet d’éditer et de joindre des préoccupations au sujet des caractéristiques thermiques directement sur les composants. Par conséquent, vous pouvez utiliser l’analyseur de PDN - une extension d’Altium Designer à télécharger - pour extraire toutes les informations physiques et électriques de la conception de PCB.

Les outils disponibles dans l’application de l’analyseur de PDN identifient des points chauds pendant le placement de composant et génèrent une carte thermique basée sur les valeurs de la dissipation de puissance des composants. Ensuite, vous pouvez utiliser des approximations du profil température réelle pour chaque composant pour examiner les interactions thermiques du circuit.

Les amplificateurs à haute puissance et haute fréquence génèrent de la chaleur pouvant endommager les jonctions de dispositif ou de dispositifs actifs près des amplificateurs. Altium Designer aide également au placement des composants pour la distribution uniforme de la chaleur à travers le PCB. Avec le placement correct du composant, votre PCB peut transférer l’énergie à l’extérieur des composants de puissance montés en surface.

Utiliser l’analyseur de PDN d’Altium peut rendre vos conceptions infiniment plus fiables et garantir des températures de fonctionnement de vos PCB optimales

Utiliser l’analyseur de PDN d’Altium peut rendre vos conceptions infiniment plus fiables et garantir des températures de fonctionnement de vos PCB optimales

UN ÉDITEUR DE PCB ADAPTÉ PERMET QUE LES CONCEPTIONS SOIENT EXÉCUTÉES PARFAITEMENT

En outre, Altium Designer vous aide avec choix des matériaux à faible CTE pour votre application à haute température. Le gestionnaire d'empilement d'Altium vous permet de choisir les diélectriques disposant de la transition vitreuse correcte (Tg), la constante diélectrique stratifiée (Dk) et facteur de dissipation (Df) pour votre application. Par exemple, les PCB de haute température nécessitent une Tg supérieure à 170oC et doivent gérer une charge thermique continue avec une température de fonctionnement de PCB d’environ 25oC au-dessous de la Tg. La tableau d'empilement de couches trouvé dans le gestionnaire d’empilement de couches indique le matériel et les exigences mécaniques pour chaque type de couche. Toujours consulter le manufacturier de la carte pour choisir les bons matériaux et propriétés pour votre conception de PCB.

L’INTÉGRATION DE CONCEPTION D’ALTIUM DESIGNER DU SCHÉMA À LA CONFIGURATION ASSURE LA SOLIDARITÉ

L’éditeur de PCB d’Altium Designer fournit la base pour les règles de conception. Vous pouvez utiliser l'éditeur pour établir des règles de conception qui :

  • restent séparées des objets
  • fonctionnent en tant que cibles comme définies par un système de sollicitation flexible
  • S’appliquent à toute situation de conception
  • ont des priorités
  • définissent le comportement requis d’un objet, et
  • déterminent l’interaction entre deux objets.

Avoir un éditeur de règles et contraintes intelligent peut aider à gérer quoi que ce soit allant des matériaux des BPC à l’effet que le brasage et le reflux pourraient avoir sur votre conception. Mais, en outre, disposer d’un vérificateur de règles de conception n'est qu’une autre partie du processus qui permet de se déplacer du schéma à la configuration et la production en toute transparence.

La résolution de problèmes de conception thermique requiert une approche méthodique combinée avec différents niveaux d’analyse. Altium Designer et l'analyseur de PDN réduisent la complexité de la conception thermique grâce à des outils tels que des bibliothèques complètes de composants et des simulations.

A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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