Una revisione della gestione della resistenza termica delle PCB con i via termici

La progettazione delle PCB e la gestione termica sono strettamente collegate poiché i problemi termici sono noti per ridurre significativamente la durata utile di una scheda elettronica e dei suoi componenti. Il calore generato in una scheda elettronica dai componenti attivi e passivi tende a rimanere confinato vicino ai componenti, portando a un elevato aumento della temperatura a causa della bassa conducibilità termica della maggior parte dei substrati delle schede elettroniche. Il frequente ciclo di temperature alte e basse di una scheda elettronica e dei suoi componenti ridurrà la longevità del tuo sistema e può portare a un fallimento prematuro dei componenti o dei conduttori in rame.

Qualsiasi progettista dovrebbe considerare come gestire il calore generato dai propri componenti utilizzando una combinazione di strategie. Tra queste diverse strategie, i progettisti possono utilizzare un pad termico e un dissipatore su ogni componente attivo, l'uso creativo di piani in rame negli strati interni, materiali di substrato con alta conducibilità termica e vie termiche vicino ai componenti attivi che dissipano alta potenza. Anche il posizionamento strategico dei componenti è importante per prevenire la formazione di punti caldi nella tua scheda elettronica stampata.

Grazie agli strumenti di progettazione e analisi in Altium Designer, puoi ideare una strategia che aiuterà a mantenere la temperatura della tua scheda entro limiti accettabili, nonostante l'alta resistenza termica della maggior parte dei materiali di substrato per PCB. Gli strumenti di layout PCB ti consentono di progettare la tua scheda con vie termiche, misure di raffreddamento passive e attive, e substrati con alta conducibilità termica e stackup personalizzato.

ALTIUM DESIGNER

Una piattaforma unificata di progettazione PCB che integra funzionalità avanzate di layout PCB con funzionalità complete di progettazione di vie e pad.

I componenti su qualsiasi scheda elettronica genereranno del calore durante il funzionamento, e il progettista proattivo prenderà misure per combattere l'eccessivo aumento di temperatura durante il funzionamento. Se hai mai visto un PC da gioco sovraccaricato, allora sei familiare con le enormi ventole di raffreddamento e persino i sistemi di raffreddamento a liquido utilizzati per rimuovere il calore dalle schede grafiche e dai processori. Molto probabilmente, la tua PCB non avrà bisogno di misure così estreme per la dissipazione termica. Tuttavia, dovresti considerare come rimuovere il calore dai tuoi componenti e produrre una distribuzione uniforme della temperatura in tutta la scheda.

L'elevata resistenza termica di molti substrati per schede elettroniche può causare la formazione di punti caldi vicino ai componenti attivi. Questi punti caldi tendono ad accumularsi vicino ai componenti attivi che generano una quantità significativa di calore. Tra i diversi metodi per combattere l'aumento della temperatura in un PCB, le vie termiche sono particolarmente utili per trasportare il calore lontano dai componenti attivi e verso uno strato interno del tuo stackup.

Posizionare le vie termiche sotto un pad con un paddle attaccato al die con la giusta densità numerica è un metodo per trasportare il calore verso uno strato interno della scheda. Vedrai i migliori risultati se ottimizzi il numero e la disposizione delle vie termiche sotto il componente in questione. Quando combinato con altri metodi di raffreddamento, come l'uso di un dissipatore di calore e un pad termico su ogni componente attivo, e alcune misure di raffreddamento attivo, sarai in grado di mantenere la temperatura dei tuoi componenti al di sotto dei loro valori massimi consentiti e prolungare la durata della tua scheda elettronica.

Cosa sono le Vie Termiche?

Poiché molti componenti attivi, come i dispositivi per l'elettronica di potenza, i processori ad alta velocità e i componenti ad alta frequenza, generano un notevole calore durante il funzionamento, questi dispositivi richiedono un metodo di dissipazione termica per mantenere la loro temperatura di esercizio al di sotto del massimo consentito. Le vie termiche sono semplicemente vie posizionate sotto un componente che attraversano un impilamento. Queste vie possono connettersi al piano di massa nell'impilamento per trasferire il calore a uno strato interno, dove il calore si conduce attraverso lo strato di massa al resto della scheda.

Le vie termiche possono essere posizionate come vie passanti in modo che forniscano dissipazione termica in tutto l'impilamento. L'anello annulare di queste vie termiche dovrebbe essere visibile attraverso la maschera di saldatura sullo strato superficiale sotto il componente target. Possono essere saldate al paddle di attacco del die per fornire una conducibilità termica uniforme in tutta la struttura. Riempire queste vie con un'epossidica o placcarle è anche una buona idea poiché ciò impedisce alla saldatura di risalire verso il lato posteriore della scheda. Se si esamina la distribuzione della temperatura in tutta la scheda, si troverà che la distribuzione della temperatura nello strato superficiale e interno si diffonde man mano che ci si allontana da una via termica.

Trasporto del calore lontano dalle vie termiche nel substrato della scheda elettronica

Disposizione delle Vie Termiche Sotto un Componente SMD

Molti componenti, come quelli nei pacchetti QFP, includono una piastra di attacco al die nella parte inferiore del componente, e i via termici dovrebbero essere disposti in un modello appropriato sotto il componente. Posizionare il numero giusto di via termici con la giusta distanza tra di loro ottimizzerà la conduttività termica effettiva della struttura, permettendo il massimo trasferimento di calore nel substrato e avvicinando la temperatura a quella ambiente circostante. In generale, si dovrebbe optare per un maggior numero di via termici, restando entro il budget di produzione.

Esempio di spaziatura dei via termici su una scheda elettronica

Dato che molte schede elettroniche sono progettate su un substrato FR4, l'alta resistenza termica di questo materiale richiede qualche tipo di metodo di dissipazione termica per ridurre la temperatura della scheda. I progettisti dovrebbero considerare di combinare i via termici con altri metodi di dissipazione termica per portare la temperatura del substrato e del componente a un livello accettabile. Questo è particolarmente importante se la vostra scheda sarà ciclicamente esposta a temperature alte e basse.

• Le vie termiche sono solo una parte di una strategia di gestione termica più ampia per il tuo PCB. Dovresti includere altri metodi di dissipazione del calore, come un dissipatore di calore, un pad termico o pasta, e ventole di raffreddamento se le vie termiche non dissipano abbastanza calore verso uno strato interno. Scopri di più sulla creazione di una strategia di gestione termica per il tuo PCB.
• Ogni via nel tuo PCB influenzerà il tuo budget di produzione, e dovresti considerare attentamente il processo di produzione del PCB e il budget quando posizioni le vie termiche.

  Scopri di più sul processo di produzione e assemblaggio dei circuiti stampati.

• Proprio come altri conduttori di rame nel tuo PCB, le vie termiche dovrebbero essere posizionate in conformità con le tue regole di progettazione e vincoli.

  Scopri di più sull'uso dei controlli delle regole di progettazione nel tuo software di progettazione PCB.

Regole di progettazione per via, pad e poligono in Altium Designer

Il tuo substrato, Vie Termiche e Trasferimento di Calore

Anche se si utilizzano vie termiche, non si può garantire che la temperatura della propria scheda scenderà a un valore sufficientemente basso. Questo è particolarmente vero quando la scheda è impiegata in un ambiente con temperatura più elevata, o in una parte del sistema che raggiungerà una temperatura più alta. Mentre la scheda è in funzione, il gradiente termico tra i componenti e l'ambiente sarà inferiore, il che ridurrà il tasso di trasferimento di calore tra le regioni calde e fredde.

Qui è dove l'uso di un substrato con alta conducibilità termica è utile per trasportare rapidamente il calore lontano dai componenti attivi. La ceramica è una delle migliori scelte di materiali per substrati con alta conducibilità termica. Un'altra opzione è utilizzare una PCB con nucleo metallico; il nucleo in rame spesso fornirà una significativa dissipazione termica rispetto a un impilamento FR4 standard. Quando combinato con vie termiche, il vostro substrato e impilamento aiuteranno il calore a muoversi facilmente lateralmente attraverso la vostra scheda, portando a una temperatura di equilibrio più uniforme durante il funzionamento. Questo porta a un'espansione termica più uniforme della vostra PCB, che fa sì che lo stress interno sia meno concentrato in diversi conduttori di rame nel vostro sistema.

Altri Metodi di Gestione Termica

Altri metodi di gestione termica nella tua PCB possono garantire che la temperatura della tua scheda si avvicini a quella ambiente. Questi metodi includono l'attaccamento di un dissipatore di calore ai processori ad alta velocità e ad altri componenti importanti. Un pad termico su un dissipatore di calore aiuta a fornire un percorso ad alta conduttività termica per il calore lontano da un componente. Se hai un gran numero di componenti ad alta potenza sulla tua scheda, potresti non avere altra scelta se non aggiungere ventole al tuo design per rimuovere il calore dai componenti importanti.

Il materiale del tuo substrato e il tuo stack di strati dovrebbero anche essere progettati con un occhio di riguardo al trasporto del calore lontano dallo strato superficiale della tua scheda di circuito. L'alta conduttività termica del rame in uno strato interno della tua PCB trasporterà facilmente il calore lontano dalle vie termiche e verso i bordi della PCB. Anche la disposizione dei tuoi componenti è molto importante. I componenti che generano più calore dovrebbero essere posizionati più vicino al centro della scheda piuttosto che a un bordo, poiché ciò permetterà al calore di dissiparsi su un'area più grande nella tua PCB.

• Le tue vie termiche dovrebbero essere progettate in conformità con gli standard IPC 2152 sulle prestazioni termiche. Scopri di più sulla progettazione in conformità con le linee guida IPC 2152.
• Ci sono molti metodi di dissipazione passiva del calore che puoi utilizzare per controllare la temperatura della tua PCB.

  Scopri di più sulle tecniche di gestione termica passiva per la tua scheda elettronica.

• Un materiale substrato alternativo è un'ottima scelta per trasferire il calore dalle regioni calde a quelle fredde nella tua scheda e dissiparlo rapidamente nell'ambiente.

  Scopri di più sulla lavorazione con materiali substrato alternativi.

Il tuo materiale substrato e il tuo stackup determineranno la resistenza termica nella tua scheda

Lavorare con il Software di Progettazione di Via Termiche

Il software di progettazione di via termiche utilizza strumenti CAD per definire la geometria standard per le tue via e la loro estensione attraverso il tuo stack di strati. Con gli strumenti giusti per il layout della scheda elettronica, puoi progettare la geometria e la disposizione delle tue via termiche al fine di creare una strategia di gestione termica completa. Il miglior software per la progettazione di via termiche include anche funzionalità di progettazione dello stackup. Questo ti permette di definire strati interni di rame che aiuteranno a condurre il calore attraverso la tua PCB. Questi strumenti dovrebbero essere accessibili insieme alle tue altre importanti funzionalità di routing e layout, fornendo una soluzione completa in una singola piattaforma.

Progettazione e Layout Completi di Via Termiche in Altium Designer

Con le complete funzionalità di stackup e thermal via di Altium Designer, puoi facilmente creare il tuo stack di layer, thermal vias e layout in un unico programma. Gli strumenti CAD di Altium Designer sono accessibili insieme a un completo set di funzionalità di simulazione e pianificazione della produzione.

• L'ambiente di progettazione integrato in Altium Designer fornisce tutti gli strumenti CAD di cui hai bisogno in una singola applicazione. Avrai accesso a importanti funzionalità di progettazione e layout di thermal via in un unico programma. Scopri di più sulla progettazione unificata in Altium Designer.
• Lavorare con un software di progettazione di circuiti basato su regole ti permette di definire importanti regole e vincoli di progettazione per la tua scheda. Questo aiuta a garantire funzionalità e fabbricabilità. Scopri di più sul motore di progettazione basato su regole di Altium Designer.
• Con la libreria di stackup di materiali di Altium Designer, puoi scegliere tra un ampio set di materiali di substrato standard con alta o bassa conducibilità termica e varie proprietà elettriche. Scopri di più sulla libreria di stackup di materiali di Altium Designer.

Gli strumenti CAD e le funzionalità di gestione in Altium Designer sono ideali per la progettazione di vie termiche, layout dei componenti e posizionamento di misure di raffreddamento attive e passive per supportare il trasferimento di calore in tutto il sistema. Sarai in grado di definire il layout delle tue vie e i requisiti di produzione come regole e vincoli di progettazione. Avrai anche accesso a un insieme di potenti funzionalità di simulazione e analisi in un'unica applicazione. Quando aggiungi la libreria di stackup dei materiali e le ampie librerie di componenti, hai tutte le funzionalità di cui hai bisogno per progettare schede elettroniche con una potente strategia di gestione termica e portarle alla produzione.

Solo Altium ti offre un vasto insieme di risorse per la progettazione di circuiti stampati. Avrai accesso al forum AltiumLive, a webinar e podcast con esperti del settore, tutorial di progettazione e un'ampia base di conoscenze con numerosi consigli di progettazione. Nessun'altra azienda di software per la progettazione di PCB ti offre questo livello di supporto. Invece di lavorare con piattaforme di progettazione di circuiti stampati che separano le tue importanti funzionalità di progettazione in diverse applicazioni, è il momento di adottare un approccio integrato alla progettazione e al layout. È il momento di passare ad Altium Designer.