Utilisation de logiciels de simulation et d'analyse thermique des PCB dans votre flux de travail de conception

La conception de PCB suit un flux de travail spécifique impliquant la capture de schéma, la disposition du PCB et la génération de sorties. À quel moment l'analyse thermique et la fiabilité doivent-elles être intégrées dans le flux de travail standard de conception de PCB ? Ces considérations surviennent à plusieurs points durant la conception, car les défis de gestion thermique créent des problèmes de fiabilité dans les composants et le PCBA achevé.

La gestion thermique de votre circuit imprimé se concentre sur la direction de la chaleur des zones chaudes vers les zones froides, réduisant finalement la température et produisant une distribution de température uniforme à travers le circuit imprimé. Votre arrangement des composants, l'empilement du PCB et d'autres composants peuvent être utilisés pour diriger la chaleur loin d'un assemblage et dans l'enceinte, ou elle peut être évacuée avec un flux d'air forcé. Un logiciel de conception qui s'intègre avec un solveur de champ externe vous aidera à qualifier votre empilement de PCB et à éliminer les points chauds dans le PCBA pendant l'opération.

ALTIUM DESIGNER

Logiciel de conception de PCB pour l'électronique avancée qui s'interface avec de nombreuses applications tierces, y compris le logiciel d'analyse thermique de PCB.

L'analyse thermique des PCB peut impliquer plusieurs tâches destinées à évaluer le transfert de chaleur à travers la structure du PCB. Cela nécessite de localiser précisément où la chaleur sera générée et la température attendue des composants pendant le fonctionnement, ainsi que de comprendre comment la structure d'un substrat de PCB va aider au transport de la chaleur. Malheureusement, il s'agit de problèmes multiphysiques complexes qui nécessitent des solveurs de champs pour être pleinement évalués. Une fois que le flux d'air est dirigé à travers l'assemblage du PCB, l'effet du flux d'air avant le prototypage ne peut être évalué qu'avec des simulations CFD, ce avec quoi tous les concepteurs ne sont peut-être pas familiers.

Les concepteurs qui ont accès à ces solveurs de champs avancés devraient utiliser un logiciel de conception de PCB qui peut s'interfacer avec un logiciel d'analyse thermique de PCB dans le flux de travail standard. Avant d'exporter vers un outil d'analyse thermique de PCB, il y a quelques étapes simples qu'un concepteur peut entreprendre pour aider à gérer la génération de chaleur dans la carte et prévenir une élévation excessive de la température pendant le fonctionnement.

Identifier les Hautes Températures et Prévenir les Composants Chauds

La gestion thermique des PCB se concentre sur trois domaines principaux :

• Identification de l'augmentation excessive de la température dans les composants et dans le substrat de la carte
• Sélection des matériaux de la carte pour assurer le transport de la chaleur et produire une distribution uniforme de la température
• Transfert de la chaleur des zones chaudes vers les zones fraîches via le flux d'air ou la conduction

Les logiciels d'analyse thermique des PCB peuvent aider à accomplir ces tâches à différents moments de la phase de conception. Le meilleur moment pour utiliser un logiciel d'analyse thermique des PCB est une fois que la disposition du PCB est complétée, mais avant le prototypage. Cependant, si vous pouvez mettre en œuvre certaines stratégies d'analyse de base avant d'exporter votre conception dans un programme de logiciel d'analyse thermique des PCB, vous pouvez réduire l'ampleur de tout redesign nécessaire avec quelques meilleures pratiques pour l'intégrité thermique.

Chauffage des composants

Une étape que vous pouvez entreprendre pour faciliter l'analyse thermique et vous assurer d'avoir identifié tout composant sujet à échauffement sur le circuit est d'utiliser les valeurs de résistance thermique des composants pour déterminer leur température de fonctionnement. Certains composants fonctionneront évidemment à des températures très élevées, comme les gros processeurs avec un grand nombre d'E/S. Cependant, d'autres composants plus petits peuvent devenir très chauds même s'ils peuvent fonctionner dans leurs limites opérationnelles. Les LDOs, PMICs, MMICs et certains ASICs en sont de bons exemples. Les identifier tôt peut aider à décider où les placer sur le PCB afin qu'ils reçoivent un flux d'air ou soient connectés à un élément de dissipation thermique ou de retour au boîtier. Une autre possibilité est de séparer ces pièces dans différents espaces si possible afin que de grands points chauds ne se développent pas dans une zone du circuit.

• En savoir plus sur les spécifications de résistance thermique.

Perte de puissance en courant continu

La perte de puissance en courant continu est un facteur contribuant à la génération de chaleur dans un PCB, particulièrement en électronique de puissance. Les conceptions numériques plus petites et la plupart des conceptions analogiques n'auront pas besoin de ce type de simulation. Cependant, l'électronique de puissance doit s'assurer que la puissance est transférée avec une perte minimale car cela aidera à minimiser le chauffage et à maximiser l'efficacité de la livraison de puissance. Les pertes de puissance en courant continu dans votre système peuvent être évaluées avec une simulation d'analyse PDN, qui calculera la distribution de puissance en courant continu dans le PDN.

Bien qu'un analyseur de PDN ne vous montre pas directement la quantité de chaleur dissipée ou la température dans votre agencement de PCB, il vous indiquera où les points chauds sont susceptibles de se produire dans le PDN. Des modifications simples peuvent ensuite être apportées pour aider à améliorer l'intégrité de la conception et prévenir les défaillances au niveau du circuit imprimé.

• En savoir plus sur l'utilisation de l'analyseur PDN dans Altium Designer.

Sélection du matériau du PCB et conception de l'empilement

La sélection du matériau dans un PCB nécessite de choisir un système de résine et d'agent de durcissement, l'épaisseur du matériau et le poids du cuivre. L'épaisseur des couches diélectriques entre les régions de cuivre chaudes et les plans à proximité est également importante car elle détermine la facilité avec laquelle la chaleur peut être transportée autour du PCB.

• Poids du cuivre : Les cartes avec un poids de cuivre plus lourd peuvent supporter un courant plus élevé pour une température d'équilibre cible donnée.
• Teneur en résine : Les pré-imprégnés avec une teneur en résine plus élevée auront tendance à avoir une conductivité thermique plus élevée. Ces matériaux peuvent également être préférables dans certains électroniques de puissance, comme dans les cartes haute tension.
• Température de transition vitreuse : Tout circuit qui subira de grandes excursions thermiques devrait avoir une température de transition vitreuse élevée. Les stratifiés typiques à haute Tg subiront une transition vitreuse à 170-180 °C.
• Couches de plan et épaisseur du stratifié : Placer une couche de plan plus près d'une zone chaude de cuivre aidera à retirer la chaleur de la région plus chaude et à transporter cette chaleur vers d'autres zones de la carte.

Après avoir sélectionné ces spécifications sur les matériaux stratifiés, vous pouvez construire l'empilement du PCB et l'envoyer à votre maison de fabrication pour validation. Assurez-vous de comprendre toutes les propriétés matérielles pertinentes des stratifiés de PCB lors de la sélection des matériaux.

• En savoir plus sur les propriétés des matériaux stratifiés de PCB.

Une fois ces tâches de conception terminées et la disposition du PCB achevée, la conception peut être exportée dans un format de fichier intermédiaire pour utilisation dans des simulations. Un outil externe devrait être utilisé pour une simulation et une analyse thermiques complètes avant de finaliser le PCB et de se préparer pour la production.

À surveiller dans le logiciel d'analyse thermique de PCB

Dans votre logiciel d'analyse thermique de PCB, votre objectif est de déterminer la distribution de température à l'équilibre étant donné les conditions de fonctionnement typiques pour l'assemblage du PCB. Les résultats de simulation que vous générez pour votre PCB devraient montrer la distribution de température dans l'espace, ainsi que des informations supplémentaires sur la déformation si possible. Cependant, si la température d'équilibre est connue dans différentes régions de la carte, il est possible d'estimer la déformation à partir de ces données.

Des applications de résolution de champs tierces comme Ansys, qui s'interfacent avec Altium Designer, peuvent être utilisées pour exécuter ces simulations. Ces outils puissants peuvent servir à déterminer la déformation du PCB due aux excursions thermiques, chocs thermiques et cyclages thermiques. La combinaison de ces outils vous donne tout ce dont vous avez besoin pour évaluer la fiabilité de votre PCBA, car la défaillance par fatigue est un point important à examiner dans une disposition de PCB.

En savoir plus sur l'évaluation de la fiabilité thermique du PCB.

Lorsque les dispositifs fonctionnent à des températures élevées et qu'une réduction significative de la chaleur est nécessaire, un flux d'air est souvent ajouté à la conception en parallèle avec des dissipateurs thermiques, des composés thermiques et du cuivre supplémentaire. L'efficacité des ventilateurs qui fournissent un flux d'air, ou la convection naturelle, peut être évaluée à l'aide de co-simulations CFD-thermiques. Ces solveurs de champs plus avancés vous aident à examiner comment la chaleur se propage autour du PCB dû purement au flux d'air. D'autres points à considérer dans la disposition du PCB incluent le placement mécanique du ventilateur, qui nécessite un outil MCAD pour prévenir les interférences et concevoir l'enceinte pour une dissipation maximale de la chaleur et un flux d'air optimal.

• En savoir plus sur les workflows intégrés ECAD/MCAD.

Partagez vos modèles de simulation thermique avec Altium 365

Altium Designer est déjà le logiciel de conception de PCB standard de l'industrie, offrant l'ensemble d'outils de conception et de fabrication de la plus haute qualité nécessaire pour créer des électroniques avancées. Les utilisateurs peuvent étendre leurs capacités de conception et de simulation en utilisant un logiciel externe d'analyse thermique de PCB qui s'interface avec Altium Designer via un format de fichier intermédiaire.

L'outil actuel dans Altium Designer pour générer ces fichiers de modèle de simulation est l'extension EDB Exporter, qui créera un fichier EDB à partir de votre agencement de PCB pour utilisation dans les solveurs de champ Ansys. La plateforme Altium 365 facilite le partage de ces fichiers de modèle de simulation avec un collaborateur, leur conservation dans un projet et le placement des fichiers dans un contrôle de version, et la libération de toutes les données du projet pour la fabrication.

Interface avec des solveurs de champ externes via Altium 365

Altium Designer et Altium 365 offrent aux utilisateurs une manière unique de s'interfacer avec des applications de solveur de champ externes pour l'analyse thermique de PCB. Les utilisateurs d'Altium Designer disposent de plusieurs utilitaires d'exportation pour générer des fichiers spécifiques à un fournisseur et neutres vis-à-vis du fournisseur pour utilisation dans des logiciels d'analyse thermique de PCB. Lorsque vous générez ces fichiers, vous pouvez facilement les partager avec votre équipe de conception et vos collaborateurs en utilisant la plateforme Altium 365. Le partage est sécurisé via une plateforme cloud et inclut un système de contrôle de version basé sur Git intégré.

• Altium Designer offre aux utilisateurs tout ce dont ils ont besoin pour créer des électroniques avancées et préparer la documentation de mise en page des cartes de circuits imprimés.
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• Altium Designer inclut de nombreuses extensions pour étendre les capacités de l'environnement de conception, y compris un exportateur de fichiers EDB pour interfacer avec les applications de simulation thermique d'Ansys.
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• Altium 365 est idéal pour stocker et partager toutes vos données de projet, y compris les modèles de simulation pour utilisation dans des applications de solveur de champs avancées.
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Altium Designer sur Altium 365 offre un niveau d'intégration sans précédent à l'industrie électronique, jusqu'à présent relégué au monde du développement logiciel, permettant aux concepteurs de travailler depuis chez eux et d'atteindre des niveaux d'efficacité inédits. Une fois que vous avez partagé votre modèle de simulation thermique avec les collaborateurs, ils peuvent placer des commentaires dans la conception et suggérer des modifications pour aider à garantir le plus haut niveau de qualité et de fiabilité. Une fois qu'une conception est terminée et prête à être lancée en production, Altium 365 vous permet de libérer vos conceptions en production via une plateforme en ligne ou à travers la gamme d'outils standard dans Altium Designer.

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