Guida alla progettazione dei thermal relief

Uno dei difetti di assemblaggio PCB più comuni discussi nelle guide sul DFA è il tombstoning; il secondo più comune è probabilmente rappresentato dalle saldature fredde, con queste ultime segnalate in particolare sui pin passanti. Sebbene questi due problemi possano non sembrare correlati, entrambi sono legati al calore che si disperde da un pin o da un pad di un componente. Nel layout PCB, questo problema viene affrontato aggiungendo un pad di thermal relief al componente interessato, in modo che il calore rimanga confinato durante la saldatura.

La domanda diventa quindi: quando si dovrebbero applicare i thermal pad e quali componenti ne hanno bisogno? Alcune linee guida DFA comunicano l’uso dei thermal pad come qualcosa di necessario ovunque e talvolta la regola di progettazione predefinita in un PCB o in un progetto lo impone su tutto il design. In questa guida analizzeremo come selezionare le impostazioni corrette per il thermal pad e dove applicarle.

Dove applicare i thermal relief

Di seguito è mostrata una semplice immagine di thermal relief in un layout PCB. Questi thermal relief consistono in piccoli raggi che collegano il rame a un pad per un componente SMD o a un pin passante. Questi thermal relief vengono applicati automaticamente nel tuo strumento CAD, quindi non è necessario disegnare manualmente le connessioni a raggio, che presentano piccole tracce o aree di riempimento.

Thermal relief sui pin passanti.

Qui vediamo due casi in cui si consiglia di applicare i thermal relief:

• Sui pad SMD definiti dalla solder mask, cioè pad su colata di rame
• Sui pin passanti in cui un pad realizza una connessione a un piano

I thermal relief non sono necessari nei seguenti casi

• Sui pad SMD definiti dalla solder mask collegati a una piccola colata di rame
• Sui pad dei pin passanti collegati a una piccola colata di rame
• Sulle via collegate a colate di rame o piani, anche se la colata è collegata a un pad SMD

L’ultimo punto è piuttosto importante perché è tecnicamente possibile applicare un thermal relief a una via. Francamente, non c’è alcun vantaggio nell’applicare un thermal relief a una via che si collega a una colata che a sua volta si collega anche a un pad SMD. Se hai bisogno del thermal relief, applicalo semplicemente al pad SMD invece che alla via. L’obiettivo è confinare il calore sul pad SMD, non permettergli di diffondersi attorno a una grande area di rame.

Sinistra: thermal relief sui pin passanti per un pin header. Destra: thermal relief sui pad SMD collegati a una colata di rame sullo stesso layer.

Esistono anche altri casi in cui i thermal relief non sono necessari, soprattutto sui componenti SMD. Tra questi:

• Quando una connessione a una colata di rame assomiglia molto a una traccia
• Sui pad die-attached dei circuiti integrati
• Quando si può garantire che il riscaldamento sia uniforme su tutta la scheda durante la saldatura

L’ultimo punto riguarda il processo di saldatura. Nel reflow è molto meno probabile che sia necessario usare pad di thermal relief ovunque. Tuttavia, se salderai a mano tutti i componenti SMD, in particolare i passivi SMD, può avere senso aggiungere thermal relief ai pad SMD dei componenti passivi. La saldatura ad aria calda o su piastra calda è un po’ un jolly, perché dipende fortemente dall’abilità dell’assemblatore e dall’attrezzatura utilizzata.

Quando una colata di rame è grande?

Questa è una domanda importante, perché determinerà quando inserire i thermal relief sui pin passanti o sui pad SMD. Per i componenti passanti, normalmente posizioniamo il thermal relief sulla connessione a un piano. Tuttavia, se su un layer utilizziamo una colata di rame invece di un piano dedicato, abbiamo essenzialmente la stessa situazione: una grande regione di rame che può sottrarre calore al pin e che quindi potrebbe richiedere un thermal relief. Lo stesso effetto si verifica con un componente SMD su una regione di rame, ad esempio un grande riempimento di rame su uno dei layer superficiali.

Ma se colleghi uno di questi componenti a un poligono su un certo layer, ogni singolo poligono deve avere il thermal relief? Direi che la risposta è “no”.

• Quando la colata di rame è molto piccola, assomiglia a una traccia e non dovrebbe essere necessario alcun thermal relief.
• Quando una colata di rame su un layer interno è molto grande, assomiglia molto a un piano e un thermal relief sarebbe necessario sui fori passanti.
• Quando una colata di rame su un layer superficiale è abbastanza grande da coprire gran parte della superficie, anch’essa assomiglia a un piano e un thermal relief sarebbe necessario.

Da qualche parte tra colate di rame molto piccole e molto grandi c’è un punto oltre il quale un thermal relief su un pin o un pad di componente inizia a diventare necessario. È piuttosto difficile prevedere dove si trovi questo punto senza eseguire un test coupon su un grande lotto di schede durante la saldatura. Ci si aspetterebbe anche una differenza tra saldatura reflow e saldatura manuale. Sebbene questo possa essere simulato, un approccio migliore è accettare che il punto in cui i thermal relief diventano necessari debba essere determinato dalle ispezioni di qualità sulle schede assemblate.

Come dovrebbero essere progettati i thermal relief?

I progettisti non devono dedicare un’enorme quantità di impegno alla creazione di un thermal relief. In genere, una semplice connessione a raggi dai quattro lati di un pin o di un pad è accettabile. La dimensione dei raggi nelle tracce e la distanza di isolamento o dimensione dell’apertura dovrebbero essere selezionate in modo che gli elementi ai bordi non siano troppo piccoli. Non rendere i raggi del pad così sottili da scendere sotto il limite di incisione. Inoltre, rendi l’apertura attorno al pad abbastanza grande da rimanere sopra il limite di edge clearance.

In genere, tracce da 8 mil con clearance da 10 mil vanno bene per la maggior parte dei componenti. Per passivi con package molto più piccoli che verranno posizionati ad alta densità, la larghezza delle tracce e la clearance possono essere ridotte in modo che le tracce possano adattarsi attorno al pad.

Thermal relief applicato a un pad personalizzato in Altium.

Progettazione dei thermal relief in Altium

Altium offre diversi modi per implementare pad di thermal relief su parti SMD e componenti passanti. Possono essere applicati globalmente o selettivamente come segue:

• Applicazione di uno stile di thermal relief tramite una design rule di connessione per piano o poligono
• Applicazione di pad di thermal relief tramite design rule ma con scope impostato su footprint specifici o classi di componenti
• Applicazione di un pad di thermal relief a uno specifico pad SMD o pin passante in base alle proprietà del pad/pin

Il sistema di design rule e il sistema di query in Altium ti consentono di combinare questi approcci per diversi tipi di componenti o gruppi di componenti. Se utilizzi le design rules, avrai sempre la possibilità di applicare manualmente il thermal relief su specifici pin passanti o pad SMD.

Per saperne di più sull’applicazione dei pad di thermal relief nel layout PCB, consulta questi link nella documentazione Altium:

• Polygon Connect Style
• Defining Custom Thermal Reliefs

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