Guida completa all'analisi termica dei PCB

Le proprietà fisiche del substrato e dei conduttori di rame del PCB sono i fattori principali che determinano il modo in cui un circuito stampato si riscalda durante il funzionamento. Le tecniche di analisi termica dei circuiti stampati mirano a prevedere quando e dove una scheda si surriscalderà durante il funzionamento, e quali temperature raggiungerà. Questa importante parte dell'analisi è finalizzata a garantire l'affidabilità a livello di componente e di scheda, e può condizionare molte decisioni di progettazione.

Se utilizzi il miglior software di progettazione di circuiti stampati, è facile progettare una scheda ad alta affidabilità che mantiene una bassa temperatura durante il funzionamento. Altium Designer offre i migliori strumenti per la progettazione di circuiti stampati, corredati da una libreria di materiali che ti aiuterà a garantire l'affidabilità dei tuoi PCB. Avrai a disposizione tutto l'occorrente per implementare le best practice della gestione termica nel layout del PCB e nello stack-up. Ma ecco qualche informazione per capire meglio cos'è l'analisi termica dei circuiti stampati e come progettare la prossima scheda per assicurarne l'affidabilità.

Altium Designer

Un pacchetto di progettazione di PCB unificato che integra funzionalità di layout avanzate con una libreria completa di materiali per il substrato e funzionalità di pianificazione della produzione.

I materiali della scheda e dei componenti determinano il modo in cui il calore si propaga all'interno della scheda durante il funzionamento. Purtroppo, i materiali del substrato del PCB sono isolanti che impediscono la dissipazione del calore lontano dai componenti caldi. I conduttori in rame e gli strati piani possono aiutare, ma ci sono anche alcune semplici scelte progettuali che possono influenzare la temperatura di equilibrio della scheda durante il funzionamento. Queste scelte si concentrano in tre aree:

• Progettazione di stack-up di circuiti stampati
• Selezione del materiale del substrato
• Selezione e layout dei componenti

Oltre a elementi come ventole elettriche e dissipatori di calore, esistono anche altre semplici scelte di progettazione che possono contribuire a garantire che la scheda funzioni a basse temperature e non si guasti prematuramente. Con il set di strumenti di progettazione corretto, è facile implementare alcune best practice di pcb thermal management.

Utilizzo della PCB thermal analysis per progettare un circuito stampato

L'obiettivo dell'analisi termica (PCB thermal analysis) nella progettazione di circuiti stampati è determinare quando sono necessarie misure di raffreddamento come: ventole, dissipatori di calore, rame aggiuntivo o via termici (fori di dissipazione) per mantenere la temperatura entro i limiti. Il progettista deve selezionare la temperatura massima accettabile per i componenti della scheda e poi valutare come cambierà la temperatura del componente in base alla potenza dissipata. Se la temperatura del componente supera il limite accettabile, potrebbero essere necessarie ulteriori misure di raffreddamento, come dissipatori di calore o ventole.

Per iniziare, controlla l'impedenza termica di un componente, che normalmente si trova sulla scheda tecnica dei componenti per i circuiti integrati. Questo valore può andare dai ~20 °C/W per amplificatori o circuiti integrati a bassa potenza, fino ai ~200 °C/W per microprocessori potenti. Per determinare la temperatura di funzionamento, moltiplica il consumo energetico del componente per la sua impedenza termica. Vediamo un esempio con un MOSFET in un pacchetto SOT.

Temperatura di un componente definito in termini di impedenza termica.

Come ridurre l'impedenza termica nel layout PCB

Nel caso in cui la temperatura del componente sia troppo elevata, il progettista può eseguire alcuni passaggi per dissipare il calore dal componente e ridurne l'impedenza termica nel layout PCB:

• Aggiungere via termici (fori di dissipazione) con versamento a poligoni messo a terra sotto il componente
• Utilizzare un materiale del substrato PCB con una maggiore conduttività termica
• Aggiungere un dissipatore di calore al componente
• Includere altro rame sotto il componente, come ad esempio uno strato piano
• Utilizzare una ventola per garantire che l'aria fresca circoli attraverso il pacchetto dei componenti
• Collegare la scheda direttamente a un involucro di metallo con un materiale di interfaccia termica

Indipendentemente dal percorso intrapreso, l'affidabilità termica inizia con la progettazione del corretto stack-up PCB utilizzando il miglior software di progettazione PCB.

Comincia con la migliore progettazione di stack-up PCB

Prima di implementare qualsiasi altra misura di raffreddamento nel layout del circuito, usa il miglior set di strumenti di progettazione PCB per creare lo stack-up corretto. Layer Stackup Manager di Altium Designer ti consente di stabilire la corretta disposizione degli strati piani in rame e i giusti spessori degli strati per garantire che il substrato del PCB abbia un'elevata conduttività termica. Nel Layer Stackup Manager puoi anche definire i via a foro passante in modo che si estendano sul retro della scheda sotto i componenti caldi. Questi aspetti fondamentali della progettazione PCB contribuiscono notevolmente a mitigare il calore nei componenti caldi.

Altium Designer consente inoltre agli utenti di accedere a una libreria contenente i materiali di stack-up PCB più comuni e noti per le loro proprietà dielettriche. In questo modo i progettisti possono acquisire il pieno controllo sulla progettazione dello stack-up all'interno del software di progettazione PCB, ideale per applicazioni come schede ad alta velocità e schede ad alta corrente per sistemi di alimentazione. Progetta qualsiasi stack-up e seleziona qualsiasi materiale per il tuo circuito stampato in Altium Designer.

• Il materiale del substrato sarà un fattore determinante per l'affidabilità. Il materiale giusto, con un'elevata conduttività termica, può contribuire a rimuovere il calore dai componenti ad alta potenza e a mantenerli a basse temperature.

  Scopri di più sulla scelta del corretto materiale del substrato.

• I materiali ceramici presentano una conduttività termica molto più elevata rispetto ai substrati FR4 standard e sono ideali per l'uso in ambienti ad alta temperatura.

  Scopri di più sulla progettazione di circuiti stampati con substrati in ceramica.

• Indipendentemente dal tipo di materiali che desideri utilizzare per il substrato della scheda, avrai bisogno del miglior Layer Stack Manager di PCB per creare lo stack-up del circuito.

  Scopri di più sulla progettazione del layer stack in Altium Designer.

Progettazione dello stack-up in Altium Designer

Tecniche di gestione termica standard per PCB

Definire uno stack-up è solo uno degli aspetti importanti della progettazione della scheda. Una volta definito lo stack-up nel software di progettazione PCB, puoi iniziare a utilizzare gli strumenti di layout PCB per posizionare elementi come: piani di massa, colata di rame, dissipatori di calore, ventole di raffreddamento e via termici (fori di dissipazione). Per definire queste funzionalità nel circuito stampato basta utilizzare gli strumenti CAD nel software per layout PCB. Le librerie PCB dovrebbero inoltre connettersi alla catena di fornitura dell'elettronica per accedere ai modelli CAD di ventole e dissipatori di calore. In questo modo sarà più facile trovare, scaricare e posizionare i componenti necessari per la gestione del calore nel layout del circuito stampato.

Oltre a posizionare elementi come via termici, ventole e dissipatori di calore, la disposizione del piano e della traccia su ogni layer del PCB dissipa il calore a causa della resistenza CC intrinseca dei conduttori in rame nel PCB. Quando si determina come utilizzare il rame nello stack-up del PCB, le simulazioni CC diventano importanti per esaminare se possono verificarsi degli hotspot in determinate posizioni nel sistema PDN.

Utilizzo delle simulazioni di integrità dell'alimentazione CC per identificare gli hotspot

Un simulatore di integrità dell'alimentazione CC può essere utile per individuare le aree del PDN con un'alta densità di corrente, che porterà a temperature più elevate. Se queste zone calde del PCB sono vicine a un componente caldo, potrebbe essere necessario aggiungere del rame o un dissipatore di calore per mantenere bassa la temperatura. Inoltre, potrebbe essere necessario riprogettare il rame nella regione del PDN individuata per ridurre la resistenza in CC all'interno di quella regione.

• Come parte integrante di una strategia di raffreddamento passivo per componenti attivi, è necessario utilizzare un pad termico o una pasta termica per collegare un dissipatore di calore ai componenti caldi poiché in questo modo si favorisce il trasporto efficiente del calore lontano dal componente.

  Ulteriori informazioni sui pad termici e sulla pasta termica.

• Ogni componente attivo nel tuo circuito stampato funge da fonte di calore dissipandone una parte nell'involucro e nel rame vicino nella PDN. Se hai un numero elevato di componenti attivi, per raffreddarli potrebbero essere necessarie delle ventole.

  Scopri di più su come lavorare con i componenti di raffreddamento attivi nel layout PCB.

• L'estensione PDN Analyzer in Altium Designer è di facile accesso e utilizzo: utilizzando i dati del layout PCB crea simulazioni di alta qualità per l'integrità dell'alimentazione CC.

  Scopri di più sull'estensione PDN Analyzer di Altium Designer per le simulazioni in CC.

Le simulazioni di integrità dell'alimentazione CC possono aiutarti a identificare gli hotspot in una PDN su uno o più layer contemporaneamente.

Il miglior software per la PCB thermal analysis e del layout PCB

Gestire correttamente il calore nel layout del circuito stampato è un compito difficile senza il corretto set di strumenti per il layout PCB. Le migliori applicazioni di progettazione PCB includeranno più di un semplice set di strumenti CAD per le attività del layout PCB. Avrai bisogno della migliore utility di progettazione stack-up, di un editor schematico completo, di funzionalità di simulazione di segnali misti e di molto altro ancora. Una volta che sei pronto per inviare la tua scheda alla produzione, dovrai creare la documentazione per il progetto in formati di file standard. Il software di progettazione PCB dovrebbe fornire tutte queste funzionalità in un'unica applicazione, anziché separare tutto in programmi diversi.

Altium Designer è l'unica applicazione completa di progettazione PCB per qualsiasi applicazione, dalle schede DC ad alta potenza ai prodotti digitali ad alta velocità, fino ai sistemi RF ad alta frequenza. Altium Designer include un Layer Stackup Manager di prim'ordine che consente di importare materiali standard, definire qualsiasi disposizione dei layer ti venga in mente e importare materiali unici. Avrai anche accesso a un set completo di funzioni di routing e layout complete di strumenti di progettazione di via e poligoni. Insomma, tutto ciò di cui hai bisogno per progettare circuiti stampati affidabili è già incluso in Altium Designer.

Progetta i circuiti stampati più affidabili con Altium Designer

La potenza di Altium Designer risiede nel suo ambiente di progettazione basato sulle regole. Altre piattaforme di progettazione suddividono i tuoi importanti strumenti di progettazione in programmi diversi, ma Altium Designer riunisce tutto in un'unica applicazione, per garantirti il massimo della produttività. Le funzionalità di progettazione PCB di Altium Designer sono progettate per funzionare insieme in un unico pacchetto e ti aiuteranno a individuare gli errori durante la creazione del tuo progetto. Nessun'altra applicazione di progettazione PCB consente di accedere a così tante funzionalità per l'analisi termica dei circuiti stampati, il layout e la produzione.

• Altium Designer è il pacchetto ideale per i team di progettazione PCB professionali che desiderano un set completo di strumenti in un'unica applicazione.

  Scopri di più sull'ambiente di progettazione unificato di Altium Designer.

• L'estensione PDNA per Altium Designer è accessibile all'interno del nostro layout PCB e può aiutarti a individuare le aree del layout che rischiano il surriscaldamento durante il funzionamento.

  Scopri di più sull'estensione PDNA di Altium Designer.

• Quando devi condividere i progetti dei circuiti stampati con altri progettisti PCB o con il tuo produttore, puoi pubblicare istantaneamente i dati di progettazione e produzione tramite la piattaforma Altium 365.

  Scopri di più sulla condivisione dei dati della tua progettazione PCB con Altium 365.

Vista 3D di un sistema multischeda con una grande ventola di raffreddamento

Gli strumenti di Altium per la PCB thermal analysis e management 

Dopo aver eseguito l'analisi termica del circuito stampato e identificato i potenziali problemi nel layout PCB, usa Altium Designer per implementare le best practice e mantenere la temperatura della scheda entro i limiti. Nessun'altra applicazione di progettazione PCB fornisce un pacchetto così completo di funzionalità di progettazione, condivisione e verifica del progetto in un'unica applicazione.

Altium Designer di Altium 365 offre un livello d'integrazione senza precedenti nell'industria elettronica, fino a ora relegata al mondo dello sviluppo software, consentendo ai progettisti di lavorare da casa e di raggiungere un'efficienza senza precedenti.

Questo è solo un piccolo esempio di ciò che è possibile realizzare con Altium Designer e con Altium 365. Richiedi oggi stesso la prova gratuita di Altium o segui uno dei nostri webinar on-demand!