Utilizzo del Software di Simulazione e Analisi Termica PCB nel Tuo Flusso di Lavoro di Progettazione

Il design PCB segue un flusso di lavoro specifico che coinvolge la cattura schematica, il layout PCB e la generazione di output. Dove dovrebbero inserirsi l'analisi termica e l'affidabilità nel flusso di lavoro standard di progettazione PCB? Queste considerazioni emergono in più punti durante la progettazione poiché le sfide di gestione termica creano problemi di affidabilità nei componenti e nel PCBA completato.

La gestione termica nel tuo circuito stampato si concentra sul dirigere il calore dalle aree calde a quelle fredde, riducendo in ultima analisi la temperatura e producendo una distribuzione uniforme della temperatura in tutto il circuito stampato. La disposizione dei componenti, lo stackup del PCB e altri componenti possono essere utilizzati per allontanare il calore da un assemblaggio e indirizzarlo verso l'involucro, oppure può essere allontanato con un flusso d'aria forzato. Il software di progettazione che si integra con un risolutore di campo esterno ti aiuterà a qualificare il tuo stackup PCB ed eliminare i punti caldi nel PCBA durante il funzionamento.

ALTIUM DESIGNER

Software di progettazione PCB per elettronica avanzata che si interfaccia con molte applicazioni di terze parti, inclusi i software di analisi termica PCB.

L'analisi termica delle PCB può coinvolgere molteplici compiti volti a valutare il trasferimento di calore attraverso la struttura della PCB. Questo richiede di individuare dove verrà generato il calore e la temperatura prevista dei componenti durante il funzionamento, oltre a comprendere come la struttura di un substrato PCB possa favorire il trasporto del calore. Sfortunatamente, questi sono problemi complessi di multifisica che richiedono solutori di campo per essere valutati completamente. Una volta che il flusso d'aria viene indirizzato attraverso la PCBA, l'effetto del flusso d'aria prima della prototipazione può essere valutato solo con simulazioni CFD, cosa con cui non tutti i progettisti potrebbero essere familiari.

I progettisti che hanno accesso a questi avanzati solutori di campo dovrebbero utilizzare software di progettazione PCB che possa interfacciarsi con il software di analisi termica PCB all'interno del flusso di lavoro standard. Prima di esportare in uno strumento di analisi termica PCB, ci sono alcuni passaggi semplici che un progettista può intraprendere per aiutare a gestire la generazione di calore nella scheda e prevenire un eccessivo aumento della temperatura durante il funzionamento.

Identificare Temperature Elevate e Prevenire Componenti Caldi

La gestione termica delle PCB si concentra su tre aree principali:

• Identificazione dell'eccessivo aumento di temperatura nei componenti e nel substrato della scheda
• Selezione dei materiali della scheda per fornire trasporto del calore e produrre una distribuzione uniforme della temperatura
• Spostamento del calore dalle aree calde a quelle fredde tramite flusso d'aria o conduzione

Il software di analisi termica PCB può aiutare con questi compiti in vari punti della fase di progettazione. Il momento migliore per utilizzare il software di analisi termica PCB è una volta completato il layout della PCB ma prima della prototipazione. Tuttavia, se puoi implementare alcune strategie di analisi di base prima di esportare il tuo progetto in un programma software di analisi termica PCB, puoi ridurre l'entità di eventuali ridisegni richiesti con alcune migliori pratiche per l'integrità termica.

Riscaldamento dei Componenti

Un passo che puoi compiere per aiutare l'analisi termica e assicurarti di aver identificato eventuali componenti che si surriscaldano sulla scheda è utilizzare i valori di resistenza termica dei componenti per determinare la loro temperatura di funzionamento. Alcuni componenti, ovviamente, funzioneranno a temperature molto elevate, come i grandi processori con un alto numero di I/O. Tuttavia, altri componenti più piccoli possono diventare molto caldi anche se possono funzionare entro i loro limiti operativi. LDO, PMIC, MMIC e alcuni ASIC sono ottimi esempi. Identificarli precocemente può aiutare a informare dove posizionarli sulla PCB in modo che ricevano flusso d'aria o si connettano a un elemento di dissipazione del calore o ritornino al guscio. Un'altra possibilità è separare queste parti in diverse aree se possibile, in modo che non si sviluppino grandi punti caldi in un'area della scheda.

• Scopri di più sulle specifiche di resistenza termica.

Perdita di Potenza in CC

La perdita di potenza in corrente continua è uno dei fattori che contribuiscono alla generazione di calore in una PCB, particolarmente nell'elettronica di potenza. I design digitali più piccoli e la maggior parte dei design analogici non necessiteranno di questo tipo di simulazione. Tuttavia, l'elettronica di potenza deve assicurare che la potenza sia trasferita con la minima perdita poiché ciò aiuterà a minimizzare il riscaldamento e massimizzare l'efficienza nella consegna della potenza. Le perdite di potenza in CC nel tuo sistema possono essere valutate con una simulazione di analisi PDN, che calcolerà la distribuzione della potenza in CC nel PDN.

Mentre un analizzatore PDN non mostra direttamente la quantità di calore dissipato o la temperatura nel layout del tuo PCB, ti indicherà dove è probabile che si verifichino punti caldi nel PDN. Possono quindi essere apportate modifiche semplici per aiutare a migliorare l'integrità del progetto e prevenire guasti a livello di scheda.

• Scopri di più sull'uso dell'analizzatore PDN in Altium Designer.

Selezione del materiale del PCB e progettazione dello stackup

La selezione del materiale in un PCB richiede la scelta di un sistema di resina e agente di indurimento, spessore del materiale e peso del rame. Lo spessore degli strati dielettrici tra le regioni di rame caldo e i piani vicini è importante anche perché determina quanto facilmente il calore può essere trasportato intorno al PCB.

• Peso del rame: Le schede con un peso del rame maggiore possono sopportare correnti più elevate per una data temperatura di equilibrio target.
• Contenuto di resina: I prepreg con un contenuto di resina più alto tenderanno ad avere una maggiore conducibilità termica. Questi materiali possono anche essere preferibili in alcuni elettronici di potenza, come nelle schede ad alta tensione.
• Temperatura di transizione vetrosa: Qualsiasi scheda che subirà grandi escursioni termiche dovrebbe avere una temperatura di transizione vetrosa alta. I laminati tipici ad alta Tg subiscono una transizione vetrosa a 170-180 °C.
• Strati piani e spessore del laminato: Posizionare uno strato piano più vicino a un'area calda di rame aiuterà a rimuovere il calore dalla regione più calda e a trasportare tale calore in altre aree della scheda.

Dopo aver selezionato queste specifiche sui materiali laminati, è possibile costruire l'impilamento del PCB e inviarlo alla casa di fabbricazione per la validazione. Assicurati di comprendere tutte le proprietà dei materiali rilevanti dei laminati per PCB quando selezioni i materiali.

• Scopri di più sulle proprietà dei materiali laminati per PCB.

Una volta completati questi compiti di progettazione e finito il layout del PCB, il progetto può essere esportato in un formato di file intermedio per l'uso nelle simulazioni. Uno strumento esterno dovrebbe essere utilizzato per una simulazione e analisi termica completa prima di finalizzare il PCB e prepararsi per la produzione.

Cosa cercare nel software di analisi termica dei PCB

All'interno del tuo software di analisi termica dei PCB, il tuo obiettivo è determinare la distribuzione della temperatura di equilibrio date le condizioni operative tipiche per l'assemblaggio del PCB. I risultati della simulazione che generi per il tuo PCB dovrebbero mostrare la distribuzione della temperatura nello spazio, così come informazioni aggiuntive sulla deformazione, se possibile. Tuttavia, se la temperatura di equilibrio è nota in diverse regioni della scheda, è possibile stimare la deformazione da questi dati.

Le applicazioni di risoluzione di campo di terze parti come Ansys che si interfacciano con Altium Designer possono essere utilizzate per eseguire queste simulazioni. Questi strumenti potenti possono essere utilizzati per determinare la deformazione nella PCB a causa di escursioni termiche, shock termici e cicli termici. La combinazione di questi strumenti ti offre tutto ciò di cui hai bisogno per valutare l'affidabilità nella tua PCBA poiché il fallimento per fatica è un punto importante da esaminare in un layout di PCB.

Scopri di più sulla valutazione dell'affidabilità termica della PCB.

Quando i dispositivi funzionano a temperature più elevate e è necessaria una significativa riduzione del calore, spesso viene aggiunto flusso d'aria al design insieme a dissipatori di calore, composti termici e rame aggiuntivo. L'efficacia dei ventilatori che forniscono flusso d'aria, o convezione naturale, può essere valutata utilizzando co-simulazioni termiche CFD. Questi risolutori di campo più avanzati ti aiutano a esaminare come il calore si diffonde intorno alla PCB puramente a causa del flusso d'aria. Ulteriori punti da considerare nel layout della PCB includono il posizionamento meccanico del ventilatore, che richiede uno strumento MCAD per prevenire interferenze e progettare l'involucro per massimizzare la dissipazione del calore e il flusso d'aria.

• Scopri di più sui flussi di lavoro integrati ECAD/MCAD.

Condividi i tuoi modelli di simulazione termica con Altium 365

Altium Designer è già il pacchetto software di progettazione PCB considerato lo standard dell'industria, fornendo il set di strumenti di progettazione e produzione di più alta qualità necessari per creare elettronica avanzata. Gli utenti possono espandere le loro capacità di progettazione e simulazione utilizzando un pacchetto software esterno per l'analisi termica dei PCB che si interfaccia con Altium Designer tramite un formato di file intermedio.

Lo strumento attuale in Altium Designer per generare questi file di modello di simulazione è l'estensione EDB Exporter, che creerà un file EDB dal layout del vostro PCB per l'uso nei risolutori di campo Ansys. La piattaforma Altium 365 semplifica la condivisione di questi file di modello di simulazione con un collaboratore, mantenerli in un progetto e posizionare i file nel controllo di versione, e rilasciare tutti i dati del progetto alla produzione.

Interfaccia Con Risolutori di Campo Esterni Tramite Altium 365

Altium Designer e Altium 365 offrono agli utenti un modo unico di interfacciarsi con applicazioni di risolutori di campo esterni per l'analisi termica dei PCB. Gli utenti di Altium Designer hanno a disposizione molteplici utility di esportazione per generare file specifici per il fornitore e neutri rispetto al fornitore per l'uso nel software di analisi termica dei PCB. Quando generi questi file, puoi condividerli facilmente con il tuo team di progettazione e collaboratori utilizzando la piattaforma Altium 365. La condivisione è sicura tramite una piattaforma cloud e include un sistema di controllo di versione basato su Git integrato.

• Altium Designer offre agli utenti tutto ciò di cui hanno bisogno per creare elettronica avanzata e preparare la documentazione del layout del circuito stampato.
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• Altium Designer include molte estensioni per espandere le capacità dell'ambiente di progettazione, inclusa un'esportatore di file EDB per interfacciarsi con le applicazioni di simulazione termica di Ansys.
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• Altium 365 è ideale per memorizzare e condividere tutti i dati del tuo progetto, inclusi i modelli di simulazione da utilizzare in applicazioni avanzate di solver di campo.
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Altium Designer su Altium 365 offre un livello di integrazione senza precedenti nell'industria dell'elettronica, fino ad ora relegato al mondo dello sviluppo software, permettendo ai progettisti di lavorare da casa e raggiungere livelli di efficienza senza precedenti. Una volta condiviso il tuo modello di simulazione termica con i collaboratori, questi possono inserire commenti nel design e suggerire modifiche per garantire il massimo livello di qualità e affidabilità. Una volta che un design è terminato ed è pronto per essere rilasciato alla produzione, Altium 365 ti permette di rilasciare i tuoi progetti in produzione tramite una piattaforma online o attraverso il set di strumenti standard in Altium Designer.

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