Wykorzystanie oprogramowania do symulacji i analizy termicznej PCB w procesie projektowym

Projektowanie PCB podąża za określonym przepływem pracy, obejmującym przechwytywanie schematów, układ PCB oraz generowanie wyników. Gdzie analiza termiczna i niezawodność powinny zostać włączone do standardowego przepływu pracy projektowania PCB? Te rozważania pojawiają się w wielu punktach podczas projektowania, ponieważ wyzwania związane z zarządzaniem ciepłem tworzą problemy z niezawodnością komponentów i ukończonego montażu PCBA.

Zarządzanie ciepłem w twojej płytce drukowanej skupia się na kierowaniu ciepła z gorących obszarów do chłodnych, ostatecznie redukując temperaturę i produkując równomierny rozkład temperatury na całej płytce drukowanej. Twoje rozmieszczenie komponentów, układ warstw PCB oraz inne komponenty mogą być wykorzystane do odprowadzania ciepła z zespołu i do obudowy, lub może być ono usuwane za pomocą wymuszonego przepływu powietrza. Oprogramowanie do projektowania, które integruje się z zewnętrznym rozwiązaniem do rozwiązywania problemów polowych, pomoże Ci zakwalifikować układ warstw PCB i wyeliminować punkty gorące w PCBA podczas działania.

ALTIUM DESIGNER

Oprogramowanie do projektowania PCB dla zaawansowanej elektroniki, które współpracuje z wieloma aplikacjami stron trzecich, w tym oprogramowaniem do analizy termicznej PCB.

Analiza termiczna PCB może obejmować wiele zadań mających na celu ocenę transferu ciepła przez strukturę PCB. Wymaga to precyzyjnego określenia, gdzie będzie generowane ciepło i jakie spodziewane są temperatury komponentów podczas działania, a także zrozumienia, jak struktura substratu PCB wspomaga transport ciepła. Niestety, są to złożone problemy wielofizyczne, które wymagają zastosowania solverów polowych do pełnej oceny. Gdy przepływ powietrza jest kierowany przez PCBA, efekt przepływu powietrza przed prototypowaniem można ocenić tylko za pomocą symulacji CFD, z czym nie wszyscy projektanci mogą być zaznajomieni.

Projektanci, którzy mają dostęp do tych zaawansowanych solverów polowych, powinni używać oprogramowania do projektowania PCB, które może współpracować z oprogramowaniem do analizy termicznej PCB w ramach standardowego przepływu pracy. Przed eksportem do narzędzia do analizy termicznej PCB, projektant może podjąć kilka prostych kroków, aby pomóc zarządzać generowaniem ciepła na płycie i zapobiec nadmiernemu wzrostowi temperatury podczas działania.

Identyfikacja Wysokich Temperatur i Zapobieganie Przegrzewaniu Komponentów

Zarządzanie termiczne PCB koncentruje się na trzech głównych obszarach:

• Identyfikowanie nadmiernego wzrostu temperatury w komponentach i w podłożu płytki
• Wybór materiałów płytki w celu zapewnienia transportu ciepła i uzyskania równomiernego rozkładu temperatury
• Przenoszenie ciepła z gorących obszarów do chłodnych za pomocą przepływu powietrza lub przewodzenia

Oprogramowanie do analizy termicznej PCB może pomóc w tych zadaniach na różnych etapach fazy projektowej. Najlepszym momentem na użycie oprogramowania do analizy termicznej PCB jest po zakończeniu układu PCB, ale przed prototypowaniem. Jednakże, jeśli można zaimplementować niektóre podstawowe strategie analizy przed eksportowaniem projektu do programu do analizy termicznej PCB, można zredukować zakres wymaganych przeprojektowań, stosując najlepsze praktyki dla integralności termicznej.

Ogrzewanie komponentów

Jednym z kroków, które możesz podjąć, aby wspomóc analizę termiczną i upewnić się, że zidentyfikowałeś wszelkie gorące komponenty na płytce, jest użycie wartości oporu termicznego komponentów do określenia ich temperatury pracy. Niektóre komponenty będą oczywiście pracować w bardzo wysokich temperaturach, takie jak duże procesory z wysoką liczbą I/O. Jednak inne, mniejsze komponenty mogą się bardzo nagrzewać, nawet jeśli mogą pracować w ramach swoich limitów operacyjnych. Dobrymi przykładami są LDO, PMIC, MMIC i niektóre ASIC. Wczesne zidentyfikowanie ich może pomóc w decyzji, gdzie umieścić te elementy na PCB, aby otrzymywały przepływ powietrza lub były połączone z elementem odprowadzającym ciepło lub z powrotem do obudowy. Inną możliwością jest oddzielenie tych części w różne obszary, jeśli jest to możliwe, aby nie tworzyły się duże punkty gorące w jednym obszarze płyty.

• Dowiedz się więcej o specyfikacjach oporu termicznego.

Straty mocy DC

Straty mocy DC to jeden z czynników przyczyniających się do generowania ciepła w PCB, szczególnie w elektronice mocy. Mniejsze projekty cyfrowe i większość projektów analogowych nie będą potrzebować tego typu symulacji. Jednak elektronika mocy musi zapewnić transfer mocy z minimalnymi stratami, ponieważ pomoże to zminimalizować nagrzewanie i maksymalizować efektywność dostarczania mocy. Straty mocy DC w twoim systemie mogą być ocenione za pomocą symulacji analizy PDN, która obliczy rozkład mocy DC w PDN.

Podczas gdy analizator PDN nie pokazuje bezpośrednio ilości rozpraszanej ciepłoty ani temperatury w układzie PCB, wskaże miejsca, w których prawdopodobne są punkty gorące w PDN. Następnie można dokonać prostych zmian, aby pomóc poprawić integralność projektu i zapobiec awariom na poziomie płyty.

• Dowiedz się więcej o używaniu analizatora PDN w Altium Designer.

Wybór materiału PCB i projektowanie układu warstw

Wybór materiału w PCB wymaga wybrania systemu żywicy i środka utwardzającego, grubości materiału oraz wagi miedzi. Grubość warstw dielektrycznych między gorącymi regionami miedzi a pobliskimi płaszczyznami jest również ważna, ponieważ określa, jak łatwo ciepło może być transportowane wokół PCB.

• Waga miedzi: Płytki z cięższą wagą miedzi mogą wytrzymać wyższy prąd dla danego docelowego temperatury równowagi.
• Zawartość żywicy: Prepregi z wyższą zawartością żywicy będą miały tendencję do wyższej przewodności cieplnej. Te materiały mogą być również preferowane w niektórych elektronikach mocy, takich jak w wysokonapięciowych płytach.
• Temperatura przejścia szklistego: Każda płyta, która będzie doświadczać dużych wahań termicznych, powinna mieć wysoką temperaturę przejścia szklistego. Typowe laminaty o wysokiej Tg doświadczają przejścia szklistego przy 170-180 °C.
• Warstwy płaszczyzny i grubość laminatu: Umieszczenie warstwy płaszczyzny bliżej gorącego obszaru miedzi pomoże usunąć ciepło z cieplejszego regionu i przetransportować to ciepło do innych obszarów płytki.

Po wybraniu tych specyfikacji dotyczących materiałów laminatowych, możesz zbudować układ warstw PCB i wysłać go do zakładu produkcyjnego w celu walidacji. Upewnij się, że rozumiesz wszystkie istotne właściwości materiałów laminatowych PCB podczas wyboru materiałów.

• Dowiedz się więcej o właściwościach materiałowych laminatów PCB.

Po zakończeniu tych zadań projektowych i ukończeniu układu PCB, projekt można wyeksportować do pośredniego formatu pliku do wykorzystania w symulacjach. Do kompleksowej symulacji i analizy termicznej należy użyć zewnętrznego narzędzia przed finalizacją PCB i przygotowaniem do produkcji.

Na co zwrócić uwagę w oprogramowaniu do analizy termicznej PCB

W swoim oprogramowaniu do analizy termicznej PCB, twoim celem jest określenie równowagi rozkładu temperatury przy typowych warunkach pracy dla montażu PCB. Wyniki symulacji, które generujesz dla swojego PCB, powinny pokazywać rozkład temperatury w przestrzeni, a także dodatkowe informacje o deformacji, jeśli to możliwe. Jednakże, jeśli równowaga temperatury jest znana w różnych regionach płytki, możliwe jest oszacowanie deformacji na podstawie tych danych.

Aplikacje zewnętrznych rozwiązań do rozwiązywania problemów polowych, takie jak Ansys, które współpracują z Altium Designer, mogą być używane do przeprowadzania tych symulacji. Te potężne narzędzia mogą być wykorzystane do określenia deformacji PCB spowodowanej wahaniami temperatury, szokami termicznymi i cyklami termicznymi. Połączenie tych narzędzi daje wszystko, co jest potrzebne do oceny niezawodności twojego PCBA, ponieważ zmęczenie materiału jest ważnym punktem do zbadania w układzie PCB.

Dowiedz się więcej o ocenie niezawodności termicznej PCB.

Gdy urządzenia pracują w wyższych temperaturach i potrzebna jest znacząca redukcja ciepła, często dodaje się do projektu przepływ powietrza wraz z radiatorami, związkami termoprzewodzącymi i dodatkowym miedzianym okładem. Skuteczność wentylatorów zapewniających przepływ powietrza, czyli konwekcję naturalną, może być oceniona za pomocą współsymulacji CFD-termicznych. Te bardziej zaawansowane rozwiązania do rozwiązywania problemów polowych pozwalają zbadać, jak ciepło rozprzestrzenia się wokół PCB wyłącznie z powodu przepływu powietrza. Dodatkowe punkty do rozważenia w układzie PCB obejmują mechaniczne umiejscowienie wentylatora, co wymaga narzędzia MCAD do zapobiegania interferencjom i projektowania obudowy dla maksymalnej dyssypacji ciepła i przepływu powietrza.

• Dowiedz się więcej o zintegrowanych przepływach pracy ECAD/MCAD.

Udostępnij swoje modele symulacji termicznej za pomocą Altium 365

Altium Designer jest już standardowym w branży pakietem oprogramowania do projektowania PCB, zapewniającym najwyższej jakości zestaw narzędzi do projektowania i produkcji, potrzebnych do tworzenia zaawansowanej elektroniki. Użytkownicy mogą rozszerzyć swoje możliwości projektowania i symulacji, korzystając z zewnętrznego pakietu oprogramowania do analizy termicznej PCB, który współpracuje z Altium Designer poprzez pośredni format pliku.

Aktualne narzędzie w Altium Designer do generowania tych plików modeli symulacyjnych to rozszerzenie EDB Exporter, które tworzy plik EDB z układu PCB do użycia w solverach polowych Ansys. Platforma Altium 365 ułatwia udostępnianie tych plików modeli symulacyjnych współpracownikowi, przechowywanie ich w projekcie, umieszczanie plików w kontroli wersji oraz publikowanie wszystkich danych projektowych do produkcji.

Interfejs z zewnętrznymi solverami polowymi za pośrednictwem Altium 365

Altium Designer i Altium 365 dają użytkownikom unikalną możliwość współpracy z zewnętrznymi aplikacjami solverów polowych do analizy termicznej PCB. Użytkownicy Altium Designer mają do dyspozycji wiele narzędzi eksportujących, umożliwiających generowanie plików specyficznych dla dostawcy oraz neutralnych wobec dostawcy, do użycia w oprogramowaniu do analizy termicznej PCB. Gdy generujesz te pliki, możesz łatwo udostępnić je swojemu zespołowi projektowemu i współpracownikom, korzystając z platformy Altium 365. Udostępnianie jest bezpieczne dzięki platformie chmurowej i obejmuje wbudowany system kontroli wersji oparty na Git.

• Altium Designer zapewnia użytkownikom wszystko, czego potrzebują do tworzenia zaawansowanych urządzeń elektronicznych i przygotowania dokumentacji układu płytki drukowanej.
  Dowiedz się więcej o kompletnym zestawie narzędzi Altium Designer do projektowania płytek drukowanych.
• Altium Designer zawiera wiele rozszerzeń, które poszerzają możliwości środowiska projektowego, w tym eksporter plików EDB umożliwiający współpracę z aplikacjami do symulacji termicznej Ansys.
  Dowiedz się więcej o rozszerzeniu Ansys EDB Exporter dla Altium Designer.
• Altium 365 jest idealny do przechowywania i udostępniania wszystkich danych projektowych, w tym modeli symulacji do użytku w zaawansowanych aplikacjach solvera polowego.
  Dowiedz się więcej o używaniu Altium 365 do udostępniania modeli symulacji i danych.

Altium Designer na Altium 365 dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji w branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności. Po udostępnieniu modelu symulacji termicznej współpracownikom, mogą oni dodawać komentarze do projektu i sugerować modyfikacje, aby zapewnić najwyższy poziom jakości i niezawodności. Gdy projekt jest zakończony i gotowy do wprowadzenia do produkcji, Altium 365 umożliwia wprowadzenie projektów do produkcji za pośrednictwem platformy online lub za pomocą standardowego zestawu narzędzi w Altium Designer.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną oprogramowania do symulacji termicznych w Altium Designer + Altium 365 już dziś.